一种便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法技术

本发明专利技术公开了一种便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法，基于零速修正/惯性导航系统，惯性导航定位杆包括载体杆、测量传感器和数据处理单元；利用零速探测传感器探测和识别定位杆获得零速修正机会的时段；将零速观测值用作量测更新，与惯性导航解算进行数据融合，实现组合定位定姿解算。本发明专利技术解决了低成本微机电(MEMS)惯性导航系统(INS)的导航误差随时间快速累积导致的精度发散问题，能够在不打断/干扰系统运动状态的情况下采用极其容易和方便的形式实现零速修正，抑制惯性导航系统的误差发散，实现便携式导航定位或测图设备的准确定位。

A portable inertial navigation positioning bar and its positioning and attitude determination method

【技术实现步骤摘要】
一种便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法
本专利技术涉及惯性导航与惯性组合导航定位领域，尤其涉及一种便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法。
技术介绍
惯性导航是一种通过对惯性传感器(包括陀螺和加速度计)的数据做投影和积分运算得到定位定姿结果的技术，其导航定位误差随时间积累，尤其是低成本微机电(MEMS)惯性导航系统(INS)的导航误差随时间快速累积。惯性导航系统常需要与其他导航定位手段进行组合，形成组合导航系统来解决精度发散的问题。组合导航一般都要求增加额外的传感器来获取外部辅助定位信息，校正惯导误差。零速修正是一种常用的、有效的、“零成本”的惯导辅助手段。当惯性导航系统和载体处于静止状态时，将零速用作外部观测对惯性导航速度进行修正。零速修正可有效控制惯性导航系统的速度误差，进而减缓其位置误差的发散，其实现过程一般不需要增加额外的物理传感器，是一种有效的低成本辅助信息。但是零速修正信息的使用要求载体处于静止状态，干扰和打断了载体的正常运动。如何在不干扰或尽可能少地干扰载体运动状态的情况下实现零速修正，抑制惯导误差发散显然具有重要意义。尤其是对一些便携式导航定位或测图设备，将具有极其重要的实用价值。本专利技术为解决这一问题，提出了一种在不打断/干扰系统运动状态的情况下实现零速修正的方法，具体为一种基于零速修正/惯性导航系统的便携式定位杆。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种便携式惯性导航定位杆，包括载体杆、测量传感器和数据处理单元；其中：测量传感器固定安装在载体杆上，测量传感器包括：惯性测量单元、零速探测传感器；惯性测量单元，用于测量三维比力和三维角速度信息；零速探测传感器，固定安装在载体杆上，通过判断零速探测传感器输出是否超出设定阈值进行零速探测；数据处理单元用于处理测量传感器实时传输的测量信息，结合零速探测信息，通过惯导机械编排算法和卡尔曼滤波进行数据融合和定位定姿解算。进一步地，本专利技术的载体杆的形状包括：杆状载体、球体、圆柱体或长方体。进一步地，本专利技术的零速探测传感器包括：压力传感器、惯性传感器、弹性开关、用户手动开关。进一步地，本专利技术的惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。本专利技术提供一种便携式惯性导航定位杆的定位定姿方法，该方法包括以下步骤：S1、对惯性导航定位杆进行定位初始化；S2、定位过程中，惯性导航定位杆间歇性地获得零速修正机会；S3、探测惯性导航定位杆的零速时段，判断惯性导航定位杆一端与探测点地面是否接触并保持静止，若是，则记录触地时间段为零速时段；S4、获取惯性导航定位杆触地时间段内的零速观测值，与惯性导航系统进行数据融合，实现组合定位定姿解算。进一步地，本专利技术的步骤S1中进行惯性导航定位杆定位初始化的具体方法为：S11、进行定位或定位算法包括惯性导航位置、速度和姿态的解算；S12、惯性导航定位杆的定位初始化包括位置初始化、速度初始化、姿态初始化。进一步地，本专利技术的步骤S2中惯性导航定位杆间歇性地获得零速修正机会的具体方法为：S21、操作惯性导航定位杆，使惯性导航定位杆的某质点相对于地球或地面固定点的速度为零；S22、不要求惯性测量单元本身或惯性导航定位杆整体速度为零，只要与惯性测量单元固联的惯性导航定位杆的某一部位速度为零，则可视为零速修正的机会。进一步地，本专利技术的步骤S3中探测惯性导航定位杆零速时段的方法包括：在惯性导航定位杆与地物接触点处安装压力传感器：通过探测该点压力值的变化来感知其与地面固定点是否接触并保持静止；当压力传感器的压力值超过某一预先设定的阈值时判定惯性导航定位杆该部位与地面固定点接触，记录相应的压力大于阈值的时间段，作为零速修正时段；在惯性导航定位杆内设置惯性测量单元：通过惯性测量单元原始数据的变化来判断惯性导航定位杆与地面接触点是否处于零速状态；在惯性导航定位杆与地物接触点处安装弹性开关：当惯性导航定位杆触地时弹性开关所受弹力增大，惯性导航定位杆离地时开关所受弹力减小，通过判断开关的弹力变化来判断惯性导航定位杆是否触地，处于零速状态；在惯性导航定位杆与地物接触点处安装手动开关：当惯性导航定位杆触地时用户打开手动开关，惯性导航定位杆离地时刻关闭手动开关，记录定位杆的触地时间段。进一步地，本专利技术的步骤S4中进行数据融合实现组合定位定姿解算的具体方法为：S41、当惯性导航定位杆处于零速时段时，记录零速时段内的零速观测值，将零速观测值与惯性导航系统通过滤波的形式实现数据融合，进行组合定位解算；S42、构建零速修正的观测方程；惯性测量单元速度与惯性导航定位杆触地点之间的速度关系表示为：其中，b表示惯性测量单元载体坐标系，即b系；n表示当地水平坐标系，也称导航坐标系，n系；lb为惯性测量单元中心指向定位杆与地面接触点的三维向量在b系下的投影；为b系相对于n系的旋转角速度在b系下的投影；为n系与b系之间的坐标变换矩阵；为惯性测量单元的速度在n系下的投影；为定位杆触地点的速度；根据惯性导航系统的导航结果推算零速点的速度为：零速点的实际观测为：其中，n表示零速点的速度，其值不是绝对为零；惯性导航定位杆零速修正的观测方程写作：S43、当惯性导航定位杆处于零速状态时，惯性导航定位杆触地点处的位置保持不变，将位置保持不变的触地点的位置信息作为惯性导航的外部观测，抑制惯性导航系统的位置发散；S44、组合定位定姿是将零速信息作为外部辅助与惯性导航解算进行数据融合；数据融合方法包括卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波法、粒子滤波法、序贯最小二乘法、非线性优化算法或人工神经网络法。进一步地，本专利技术的步骤S43的将触地点的位置信息作为惯性导航的外部观测的具体方法为：S431、将零速开始时刻的位置作为外部位置观测与惯性导航系统进行数据融合；S432、将惯性导航定位杆看作绕触地点转动的刚体，结合惯性导航系统的姿态和杆臂lb推算出惯性测量单元的速度和位置，替换惯性导航的速度和位置更新。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的便携式惯性导航定位杆及其定位定姿方法，采用了极其容易和方便的形式实现零速修正，不要求整个载体棒或IMU本身处于静止状态，而只是需要定位杆的某一部位处于零速状态，通过杆臂传递建立IMU与触点之间的关系，极大地降低了实现零速修正的代价和成本，可实现频繁的零速修正，降低了获取零速修正机会的成本，有利于提高惯性导航系统的定位定姿精度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例的便携式惯性定位杆；图中，1—载体杆；2—惯性测量单元；3—压力传感器；4—数据处理单元；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种便携式惯性导航定位杆，其特征在于，包括载体杆、测量传感器和数据处理单元；其中：/n测量传感器固定安装在载体杆上，测量传感器包括：惯性测量单元、零速探测传感器；惯性测量单元，用于测量三维比力和三维角速度信息；零速探测传感器，固定安装在载体杆上，通过判断零速探测传感器输出是否超出设定阈值进行零速探测；/n数据处理单元用于处理测量传感器实时传输的测量信息，结合零速探测信息，通过惯导机械编排算法和卡尔曼滤波进行数据融合和定位定姿解算。/n

【技术特征摘要】
1.一种便携式惯性导航定位杆，其特征在于，包括载体杆、测量传感器和数据处理单元；其中：
测量传感器固定安装在载体杆上，测量传感器包括：惯性测量单元、零速探测传感器；惯性测量单元，用于测量三维比力和三维角速度信息；零速探测传感器，固定安装在载体杆上，通过判断零速探测传感器输出是否超出设定阈值进行零速探测；
数据处理单元用于处理测量传感器实时传输的测量信息，结合零速探测信息，通过惯导机械编排算法和卡尔曼滤波进行数据融合和定位定姿解算。


2.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆，其特征在于，载体杆的形状包括：杆状载体、球体、圆柱体或长方体。


3.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆，其特征在于，零速探测传感器包括：压力传感器、惯性传感器、弹性开关、用户手动开关。


4.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆，其特征在于，惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。


5.一种便携式惯性导航定位杆的定位定姿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、对惯性导航定位杆进行定位初始化；
S2、定位过程中，惯性导航定位杆间歇性地获得零速修正机会；
S3、探测惯性导航定位杆的零速时段，判断惯性导航定位杆一端与探测点地面是否接触并保持静止，若是，则记录触地时间段为零速时段；
S4、获取惯性导航定位杆触地时间段内的零速观测值，与惯性导航系统进行数据融合，实现组合定位定姿解算。


6.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆的定位定姿方法，其特征在于，步骤S1中进行惯性导航定位杆定位初始化的具体方法为：
S11、进行定位或定位算法包括惯性导航位置、速度和姿态的解算；
S12、惯性导航定位杆的定位初始化包括位置初始化、速度初始化、姿态初始化。


7.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆的定位定姿方法，其特征在于，步骤S2中惯性导航定位杆间歇性地获得零速修正机会的具体方法为：
S21、操作惯性导航定位杆，使惯性导航定位杆的某质点相对于地球或地面固定点的速度为零；
S22、不要求惯性测量单元本身或惯性导航定位杆整体速度为零，只要与惯性测量单元固联的惯性导航定位杆的某一部位速度为零，则可视为零速修正的机会。


8.根据权利要求1所述的便携式惯性导航定位杆的定位定姿方法，其特征在于，步骤S3中探测惯性导航定位杆零速时段的方法包括：
在惯性导航定位杆与地物接触点处安装压力传感器：通过探测该点压力值的变化来感知其与地面固定点是否接触并保持静止；当压力传感器的压力值超过某一预先设定的阈值时...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛小骥，陈起金，周禹昆，旷俭，李雨，郭若南，赖昌鑫，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42