基于動(dòng)態(tài)約束方法和磁力計(jì)的汽車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)被用來提供獨(dú)立的導(dǎo)航解決方案,包括位置、速度和狀態(tài)信息。幾乎所有的自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)都采用INS作為基礎(chǔ)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以不利用額外數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，估計(jì)精度會(huì)大幅度降低。因此，提出了一種利用磁力計(jì)和動(dòng)態(tài)約束方法來提高汽車INS的導(dǎo)航性能。該方法除了使用慣性傳感器和磁力計(jì)之外，無需其它硬件設(shè)施。

推導(dǎo)出了慣性導(dǎo)航方程和計(jì)算磁偏角的方程，用于后續(xù)慣性傳感器和磁力計(jì)的解算。為了減小INS自身的誤差、速度和狀態(tài)方程的聯(lián)系，研究了車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，即非完整性約束（NHCs）。研究NHCs的前提是假設(shè)車輛不發(fā)生垂直跳動(dòng)或者側(cè)滑。經(jīng)計(jì)算，該地面車輛的運(yùn)動(dòng)需要有兩個(gè)NHCs控制。實(shí)際上，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)和懸架的振動(dòng)或轉(zhuǎn)向?qū)е碌馁|(zhì)心側(cè)偏角增加偶爾超出其應(yīng)用范圍，這些約束對于一般車輛的運(yùn)行工況還是適用的。采用NHCs的研究方法可以提高車速的估計(jì)精度，同時(shí)也能提高位置估計(jì)精度。然而，由于不能利用額外的信息，因此導(dǎo)致采用此方法只能獲得一個(gè)相對的導(dǎo)航解決方案，而且該方法易受橫擺角速度估計(jì)偏差的影響。詳細(xì)介紹了估計(jì)濾波器的結(jié)構(gòu)，以用來開發(fā)帶有慣性測量單元（IMU）和磁力計(jì)的導(dǎo)航算法。該濾波器采用經(jīng)典的卡爾曼濾波算法。由于卡爾曼濾波需要預(yù)測和更新兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此建立了用于預(yù)測環(huán)節(jié)的線性系統(tǒng)模型和用于更新環(huán)節(jié)的觀測模型。

利用實(shí)車對所開發(fā)的導(dǎo)航算法進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，集成NHCs的導(dǎo)航系統(tǒng)可以大幅度減少位置和速度偏差，集成磁力計(jì)可以減少狀態(tài)偏差。與未集成NHCs的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，車輛側(cè)傾和俯仰偏差值減少了將近50%。

Daehee Won et al.Hindawi Publishing Corporation Journal of Sensors Volume 2015, Article ID 435062,11 pages.

編譯：韓小健