基于微慣性測量單元(MIMU)的單兵導(dǎo)航系統(tǒng),能夠彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)易受外界干擾、欺騙和偽經(jīng)效應(yīng)誤差等缺陷,在衛(wèi)星信號(hào)薄弱或缺失的狀況下,如室內(nèi)、隧道,具備短時(shí)間內(nèi)的自主導(dǎo)航功能。它能夠被應(yīng)用在個(gè)人位置服務(wù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、大型樓宇中的監(jiān)控和追蹤等多個(gè)領(lǐng)域,具有極高的理論研究與社會(huì)應(yīng)用價(jià)值,近年來,引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文建立在單兵導(dǎo)航實(shí)際需求的基礎(chǔ)上,以微型、低成本MIMU為核心構(gòu)建多傳感器組合的單兵導(dǎo)航系統(tǒng),設(shè)計(jì)多種優(yōu)化算法和誤差約束修正方法,提升基于MIMU的單兵自主導(dǎo)航系統(tǒng)在無衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下的定位導(dǎo)航精度,使之能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)要求,最終達(dá)到長時(shí)間、穩(wěn)定、精確導(dǎo)航的目標(biāo)。本文的主要研究工作包括:(1)系統(tǒng)性地研究了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法和行人步行航位推算算法,設(shè)計(jì)完成了基于誤差模型的卡爾曼濾波器和步行零速修正算法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)航算法的有效性,并對(duì)比分析了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航/零速修正組合和步行航位推算這兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)和誤差范圍。(2)在現(xiàn)有的步態(tài)檢測算法基礎(chǔ)上,綜合評(píng)定了基于加速度信息、基于角速度信息和融合了加速度和角速度信息的步態(tài)檢測算法,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)定量分析出算法參數(shù)對(duì)最終檢測和定位結(jié)果的影響。證明了加速度/角速度組合的步態(tài)檢測算法準(zhǔn)確性更高。(3)基于MIMU模塊設(shè)計(jì)了單兵動(dòng)作識(shí)別算法,完成對(duì)靜止、步行(慢速、中速、快速)、跑步、上下樓梯、直線行走、轉(zhuǎn)彎等多種動(dòng)作狀態(tài)的分類識(shí)別。同時(shí),將動(dòng)作狀態(tài)這一重要信息,應(yīng)用到本文提出的各優(yōu)化算法中,如基于自觀測量的航向修正算法、應(yīng)用動(dòng)作/樓向信息的航向修正算法、動(dòng)作識(shí)別/隱馬爾科夫模型組合的高度修正算法等,都取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(4)針對(duì)單兵導(dǎo)航系統(tǒng)中的航向誤差發(fā)散問題,設(shè)計(jì)了基于自觀測量的航向修正算法和應(yīng)用外部信息的航向修正算法。其中,基于自觀測量的航向修正算法包括基于零速觀測量(ZUPT)、基于零角速率觀測量(ZARU)和基于步行直線航向角觀測量(HDOU)的誤差修正算法,通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了三者的算法性能,證明ZUPT+ZARU+HDOU組合算法的導(dǎo)航精度、誤差抑制效果和穩(wěn)定性更好。應(yīng)用外部信息的航向修正算法中,通過引入磁力計(jì)信息、動(dòng)作/樓向信息和機(jī)器視覺信息,有效的提供了更為精準(zhǔn)和穩(wěn)定的參考航向角,抑制系統(tǒng)航向誤差的發(fā)散。(5)針對(duì)單兵導(dǎo)航系統(tǒng)中高度誤差發(fā)散的問題,提出了氣壓/微慣性組合的高度估計(jì)算法和動(dòng)作識(shí)別/隱藏馬爾科夫模型組合的高度估計(jì)算法,有效的抑制了高度誤差的發(fā)散,為單兵導(dǎo)航系統(tǒng)提供可靠的高度信息和樓層判斷,最終通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了兩種算法的精度。(6)設(shè)計(jì)了一種雙MIMU的單兵導(dǎo)航方案,建立雙導(dǎo)航系統(tǒng)模型,并設(shè)計(jì)帶不等式約束的卡爾曼濾波算法,融合雙MIMU導(dǎo)航系統(tǒng)信息。證明了雙MIMU的單兵導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)于單MIMU的單兵導(dǎo)航系統(tǒng),具有精度高、可靠性強(qiáng)、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。(7)進(jìn)行多組綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終在某型號(hào)MIMU平臺(tái)下取得了25分鐘步行1000m最大誤差僅0.55%的高精度定位結(jié)果,驗(yàn)證了本文提出的算法優(yōu)化和誤差修正方法的優(yōu)良性能。同時(shí)也測試驗(yàn)證了導(dǎo)航算法在成本極低的MIMU平臺(tái)的可行性。
【學(xué)位單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TJ5;TN96
【部分圖文】：

1.1 研究背景和意義兵導(dǎo)航系統(tǒng)，作為單兵數(shù)字化系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于單兵作戰(zhàn)人知或未知環(huán)境下的實(shí)時(shí)定位和自主導(dǎo)航，并將單兵實(shí)時(shí)定位信息傳輸給指揮，以滿足作戰(zhàn)指揮的需求以及提升協(xié)同作戰(zhàn)能力。該系統(tǒng)的適用對(duì)象主要包兵、警察、消防員等從事高危險(xiǎn)工作的特殊人員，使他們能夠在緊急突發(fā)狀，及時(shí)獲取自身所處環(huán)境信息，提供安全保障。同時(shí)，在室內(nèi)、隧道、地下、叢林探險(xiǎn)等衛(wèi)星導(dǎo)航信息薄弱的地區(qū)，單兵導(dǎo)航系統(tǒng)也能夠發(fā)揮自主導(dǎo)航用。未來數(shù)字化戰(zhàn)場條件下，士兵是戰(zhàn)場信息網(wǎng)中的重要一環(huán)，單兵綜合作戰(zhàn)夠有效提升士兵的精確打擊、戰(zhàn)場感知、信息處理、協(xié)同作戰(zhàn)等綜合能力。，我國在單兵裝備中集成的定位與導(dǎo)航模塊，主要以衛(wèi)星導(dǎo)航終端為主體，將數(shù)字地圖、單兵定位信息、戰(zhàn)場態(tài)勢實(shí)時(shí)展現(xiàn)在手持終端以及傳輸給遠(yuǎn)程中心。

設(shè)施的室內(nèi)行人導(dǎo)航技術(shù)不在本文的考慮范圍內(nèi)。本文人導(dǎo)航為主要研究對(duì)象。本節(jié)重點(diǎn)論述了將要采用的導(dǎo)，包括步行導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)技術(shù)、基于 MIMU 的行人導(dǎo)航技導(dǎo)航技術(shù)、視覺輔助行人導(dǎo)航技術(shù)的。導(dǎo)航模塊發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)電傳感器(Micro-Electro-Mechanical Sensor, MEMS)發(fā)尺寸小、能耗低、性能高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得將IMU, MIMU）集成于單兵導(dǎo)航系統(tǒng)成為了可能。試將加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等微型傳感器電池等成在小模塊中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航解算、當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。了德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)（KIT）研制的基于 MIMU當(dāng)于一枚硬幣，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。圖 1.3 為shoe 步行導(dǎo)航模塊，成本僅 800 美元，在 100m 內(nèi)能取能將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)和電腦端同步[2]。

、能耗低、性能高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，IMU）集成于單兵導(dǎo)航系統(tǒng)成為了可能。速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等微型成在小模塊中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航展�？査刽敹蚶砉ご髮W(xué)（KIT）研制的基于枚硬幣，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。圖行導(dǎo)航模塊，成本僅 800 美元，在 100m據(jù)通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)和電腦端同步[2]。 1.2 德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)研制的步行導(dǎo)航模

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 謝波;江一夫;嚴(yán)恭敏;任宏科;;個(gè)人導(dǎo)航融合建筑平面信息的粒子濾波方法[J];中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào);2013年01期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 馬曉龍;基于MIMU的單兵室內(nèi)導(dǎo)航算法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 許睿;行人導(dǎo)航系統(tǒng)算法研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[D];南京航空航天大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2834372