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        SINS/OD組合導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎誤差補償*

        2018-03-02 09:30:48王志偉秦俊奇石志勇狄長春王風(fēng)杰
        火力與指揮控制 2018年1期
        關(guān)鍵詞:慣組里程計慣導(dǎo)

        王志偉 ,秦俊奇 ,石志勇 ,狄長春 ,王風(fēng)杰

        (1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū),石家莊 050003;2.解放軍63870部隊,陜西 華陰 714200)

        0 引言

        我軍車輛采用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有許多組合的方式,例如:慣導(dǎo)/里程計、慣導(dǎo)/北斗、慣導(dǎo)/地磁、慣導(dǎo)/多普勒等等[1]。其中抗干擾能力最強的是慣導(dǎo)/里程計組合,是在戰(zhàn)場環(huán)境下武器裝備不可或缺的一種組合導(dǎo)航方式。

        但是隨著各方面技術(shù)的不斷革新,武器裝備對導(dǎo)航精度的需求越來越高,這就對慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航系統(tǒng)提出了更高的要求[2]。所以,一切影響導(dǎo)航精度的因素都有考慮的必要,有文獻指出里程計和慣組之間存在桿臂,并建立了桿臂補償算法,糾正了桿臂誤差[3];里程計刻度系數(shù)和慣組相對于載體系的安裝誤差對導(dǎo)航精度影響最大,文獻[4-5]和文獻[6-7]分別利用離線和在線表標(biāo)定兩種方式解決了這兩種問題;文獻[8]將打滑、側(cè)滑、跳躍等情況作為里程計故障,加入判斷機制進行處理。

        軍用履帶車輛的里程計通常安裝在變速箱一側(cè)的輸出軸上,當(dāng)車輛直線行駛時里程計所測得的速度與真實數(shù)據(jù)相差不大。但是當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時,內(nèi)、外兩側(cè)車輪速度不一致,而里程計只能測得一側(cè)車輪的速度,這時所測得的速度與車體質(zhì)心(慣組)的速度會有一定差別,如果該誤差長時間得不到補償,對定位精度會有不小的影響。相比打滑、側(cè)滑以及跳躍造成的里程計測量誤差,本文所考慮的情況會導(dǎo)致軍用履帶車輛產(chǎn)生更大的導(dǎo)航誤差。另外,當(dāng)車體航向出現(xiàn)大角度變化時,里程計校正將引起慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)振蕩。所以本文在分析了里程計、慣組以及主動輪的位置關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了慣組和主動輪之間的桿臂模型,將其作為狀態(tài)變量進行濾波估計并補償了桿臂速度。

        1 里程計轉(zhuǎn)彎誤差

        自行火炮、步兵戰(zhàn)車等軍用車輛的里程計一般安裝在變速箱左側(cè)的輸出軸上,車載慣導(dǎo)系統(tǒng)一般安裝在車輛中軸線上,安裝位置如圖1所示。

        由于里程計安裝在變速箱輸出軸上,所以只能測得一側(cè)車輪的速度,而在車輛轉(zhuǎn)彎過程中,兩側(cè)車輪的速度是不同的。所以在轉(zhuǎn)彎過程中里程計輸出的速率不能代表車輛的實時速率,不能用于修正車載慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差,以及組合導(dǎo)航系統(tǒng)的對準(zhǔn)和標(biāo)定過程。

        如圖1所示,當(dāng)車輛以O(shè)為圓心向右轉(zhuǎn)時,B曲線代表了慣組實測的行駛路程,A、C曲線分別為左右兩側(cè)車輪的行駛路程,其中A曲線的長度為里程計的實際輸出。很明顯,A曲線的長度和B曲線的長度(載車行駛路程)是不一樣的,如果這時再用里程計的輸出和慣導(dǎo)輸出進行濾波補償?shù)脑?,不僅不能提高慣導(dǎo)精度,反而會使慣導(dǎo)誤差進一步增大。同樣,當(dāng)載車向左轉(zhuǎn)彎時,也會使里程計輸出和慣導(dǎo)輸出產(chǎn)生明顯偏差。

        與車輛打滑、側(cè)滑、跳躍一樣,車輛轉(zhuǎn)彎造成的里程計輸出偏差也是不可忽視的。為了解決車輛打滑、側(cè)滑、跳躍造成的里程計輸出偏差,文獻[8]中設(shè)置了一個閾值,如果短時間內(nèi)里程計輸出的路程與慣組輸出路程之差的絕對值大于閾值,則停止里程計修正,進行慣導(dǎo)單獨導(dǎo)航。文獻[9]分析了濾波的新息分布情況,并設(shè)定了相應(yīng)的置信度閾值,從而達到判斷里程計輸出偏差與否的目的,如果里程計輸出產(chǎn)生偏差,則隔離里程計輸出,進行慣導(dǎo)單獨導(dǎo)航。

        為消除里程計轉(zhuǎn)彎誤差,可以采用上述文獻中提到的隔離里程計輸出的方案,但是一旦隔離里程計輸出,慣組在沒有外部信息修正的情況下多多少少會產(chǎn)生累積誤差。本文將里程計轉(zhuǎn)彎誤差視為慣組和主動輪之間的桿臂誤差進行補償,又考慮到軍用車輛的輪胎(履帶)一般較寬,故慣組/車輪的桿臂長度在不同的行駛環(huán)境下是在變化的,量測桿臂的方案不可取,所以這里采用濾波估計的方法對變化的桿臂進行估計并補償。

        2 里程計誤差

        在建立狀態(tài)空間模型之前,首先設(shè)定坐標(biāo)系如下:m為里程計坐標(biāo)系;b為載體坐標(biāo)系;n為導(dǎo)航坐標(biāo)系;n'為計算導(dǎo)航坐標(biāo)系;i為慣性坐標(biāo)系。

        在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)對慣組的安裝角度要求較松,所以慣組和里程計之間會產(chǎn)生安裝誤差角,由于在首次使用時該角度會被標(biāo)定,所以剩余的安裝誤差可被視為小角度,δψ為里程計和慣組之間的剩余安裝誤差角。

        另外,由于行駛條件是變化的,例如速度、溫度、輪胎的磨損程度、地面的軟硬等,所以里程計的刻度系數(shù)也是變化的,故里程計的另一個誤差參數(shù)就是刻度系數(shù)誤差δk。

        2.1 刻度系數(shù)誤差

        假設(shè)車輛在行駛的過程中不發(fā)生側(cè)滑、跳躍等情況,所以載體坐標(biāo)系中右和上兩個方向的速度為零,此時里程計的理想輸出為:

        但是由于刻度系數(shù)誤差的存在,里程計的實際輸出應(yīng)為:

        2.2 SINS/OD安裝誤差

        其中,I為單位陣,(δψ×)為δψ的反對稱矩陣。

        3 SINS/OD組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型

        文獻[10-11]建立慣性/里程計組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型,根據(jù)誤差模型,構(gòu)造狀態(tài)空間方程

        3.1 狀態(tài)方程

        這里選擇位置誤差、速度誤差、姿態(tài)誤差、加速度計零偏、陀螺常值漂移、兩個SINS/OD安裝誤差角、里程計刻度系數(shù)誤差以及里程計桿臂為狀態(tài)變量X,共21維如下:

        其中,AINS為慣導(dǎo)的狀態(tài)矩陣[12]。

        3.2 量測方程

        車輛在行駛時會受到路面等不確定條件的影響,對造成慣組的輸出誤差,故慣組在載體系內(nèi)的實際輸出為:

        本文采用的是速度匹配方式,在載體系下將里程計的輸出速度與慣組的速度輸出進行比較,構(gòu)建觀測量如下:

        將式(2)和式(8)代入式(9)得:

        下面對式(11)進行簡化,在式(11)中,

        由式(4)可知:

        合并式(13)和式(15)可得:

        綜上,量測方程Z=H×X+V中的觀測矩陣為:

        4 仿真結(jié)果及分析

        4.1 仿真條件

        總的仿真時間為966 s。設(shè)定水平姿態(tài)誤差角為1',航向姿態(tài)誤差角為 30',陀螺常值漂移 0.03°/h,加速度計零偏100μg(1σ),里程計刻度系數(shù)誤差0.2%,慣組和主動輪之間的桿臂長度為[-1.5,3,-0.5]m。機動規(guī)律如圖1所示。

        4.2 結(jié)果分析

        圖1為本文所采用的機動路徑以及3個方向的角度變化情況,可看出在載體機動到200 s~300 s之間時以及在400 s時,航向角都會發(fā)生較大變化。從前幾節(jié)的分析可知,在行駛角度發(fā)生較大變化時里程計和慣組的速度輸出會產(chǎn)生偏差,如圖2所示。

        圖2為通常情況下里程計和慣組的速度差,從圖中可看出里程計和慣組東向和北向的速度差值在200 s~300 s之間時有小的波動,在400 s時有較大波動,與圖1中的機動方式相對應(yīng),說明里程計輸出在轉(zhuǎn)彎時會產(chǎn)生較大偏差。

        圖3為補償慣組和主動輪之間的桿臂后里程計和慣組的速度輸出差值。對比圖2、圖3可看出,桿臂補償前后天向速度差變化不大,并且都保持在0 m/s左右的小范圍,而東、北兩個方向的速度差只有在載體轉(zhuǎn)彎時發(fā)生了較大變化,其余時間均保持不變。圖4為桿臂的估計值,3個方向的結(jié)果均能在400 s呈收斂趨勢,唯獨天向桿臂在500 s~800 s之間有小的波動,但最后也收斂到-0.5 m,造成波動主要原因是俯仰和橫滾運動少,使得天向速度誤差一直保持在0 m/s左右,并且在桿臂補償前后變化不大,導(dǎo)致天向桿臂的可觀測度較弱,收斂速度較慢。

        圖5為按照文獻[14]方法繪制的桿臂補償前后的水平位置誤差曲線,可看出桿臂對位置誤差的影響較為明顯,補償前后水平方向位置誤差的平均值分別為1.499 0 m和0.799 6 m。

        5 結(jié)論

        本文將桿臂誤差加入到濾波狀態(tài)變量中,在載體系中重新推導(dǎo)了系統(tǒng)模型,在導(dǎo)航過程中可以高精度地實時的對桿臂進行估計。仿真對比了桿臂補償前后3個方向的速度誤差以及水平位置誤差,并對桿臂進行了估計,估計結(jié)果均能較好地收斂。結(jié)果表明該導(dǎo)航方案精度高,能有效解決由車輛轉(zhuǎn)彎帶來的里程計輸出誤差。

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