專利名稱：一種車載mimu輸出信息解算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車載MIMU導(dǎo)航解算方法，具體是一種車載MIMU輸出信息解算方法。

背景技術(shù)：
車載MIMU(微慣性測(cè)量單元)因其具有成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的慣性導(dǎo)航與定位。車載MIMU由加速度計(jì)和陀螺組成；應(yīng)用時(shí)，通過(guò)對(duì)加速度計(jì)輸出信息(運(yùn)動(dòng)加速度)和陀螺的輸出信息(運(yùn)動(dòng)角速度)進(jìn)行導(dǎo)航解算來(lái)進(jìn)行慣性導(dǎo)航與定位；現(xiàn)有的車載MIMU導(dǎo)航解算方法主要為兩類一類采用GPS與微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合來(lái)修正慣性敏感器件的輸出值；另一類是在第一類方法的基礎(chǔ)上采用濾波方法來(lái)提高車載MIMU的測(cè)量精度。眾所周知，車載MIMU在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受復(fù)雜路面影響而產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因而導(dǎo)致加速度計(jì)和陀螺的輸出信息并不是車載MIMU的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度和實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；然而，現(xiàn)有的車載MIMU導(dǎo)航解算方法均未對(duì)加速度計(jì)和陀螺的輸出信息中的各種信息成分進(jìn)行具體分析，因而其導(dǎo)航解算精度往往較低，并不能滿足慣性導(dǎo)航與定位過(guò)程中的精度要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有車載MIMU的導(dǎo)航解算方法導(dǎo)航解算精度較低的問(wèn)題，提供了一種車載MIMU輸出信息解算方法。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種車載MIMU輸出信息解算方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的 (1)標(biāo)定出車載MIMU中各加速度計(jì)與陀螺的桿臂長(zhǎng)度； (2)標(biāo)定出各陀螺受加速度影響的加速度敏感系數(shù)； (3)將車載MIMU運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)角(車載MIMU的坐標(biāo)系x軸與靜地坐標(biāo)系x軸之間的夾角)、各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及桿臂長(zhǎng)度帶入加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式，求出各加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；所述加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式具有如下形式 abx運(yùn)動(dòng)＝fbx-gnsinθ-Δbx噪聲 aby運(yùn)動(dòng)＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx2-r1y×ωz2-Δby噪聲 abz運(yùn)動(dòng)＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx2-r1z×ωy2-Δbz噪聲 上式中abj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；fbj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；gn為車載MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分別為車載MIMU的姿態(tài)角(車載MIMU的坐標(biāo)系x軸與靜地坐標(biāo)系x軸之間的夾角)、滾動(dòng)角(車載MIMU的坐標(biāo)系z(mì)軸與靜地坐標(biāo)系z(mì)軸之間的夾角)；rj(j＝y(tǒng)，z)為y軸、z軸方向加速度計(jì)的桿臂長(zhǎng)度；rij(i＝1；j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的敏感點(diǎn)到車載MIMU的瞬間運(yùn)動(dòng)圓弧圓心的距離；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；Δbj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲加速度； (4)將各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系數(shù)帶入陀螺輸出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；所述陀螺輸出信息的有用信息提取式具有如下形式 ωx運(yùn)動(dòng)＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪聲 ωy運(yùn)動(dòng)＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪聲 ωz運(yùn)動(dòng)＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪聲 上式中ωj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)為陀螺的加速度敏感系數(shù)；aj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；Δωj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲信息。
如何標(biāo)定車載MIMU中各加速度計(jì)與陀螺的桿臂長(zhǎng)度、以及如何標(biāo)定各陀螺受加速度影響的加速度敏感系數(shù)均為現(xiàn)有公知技術(shù)。
假設(shè)車載MIMU的各加速度計(jì)(x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì))是點(diǎn)敏感器件，并且其敏感點(diǎn)位置相對(duì)車載MIMU固定不變，各加速度計(jì)只感測(cè)沿其敏感方向的加速度；以靜地坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，記車載MIMU的前后方向?yàn)閤軸向，車載MIMU的上下方向?yàn)閥軸向，車載MIMU的的左右方向?yàn)閦軸向，則車載MIMU的運(yùn)動(dòng)約束條件為

(Vby、Vbz分別為車載MIMU的y、z軸向速度)，即車載MIMU的橫向與垂直方向速度約等于零；aby＝abz＝0(aby、abz分別為車載MIMU的y、z軸向加速度)，即車載MIMU的橫向與垂直方向加速度為零。
在車載MIMU運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各加速度計(jì)的輸出信息方程為 fbx＝gbx+abx運(yùn)動(dòng)+abx向心+abx切向+Δbx噪聲＝gnsinθ+abx運(yùn)動(dòng)+(r1x×ωy2+r2x×ωz2)+(r3x×βy+r4x×βz)+Δbx噪聲 fby＝gby+aby運(yùn)動(dòng)+aby向心+aby切向+Δby噪聲＝gncosθcosγ+aby運(yùn)動(dòng)+(r1y×ωx2+r2y×ωz2)+(r3y×βx+r4y×βz)+Δby噪聲 fbz＝gbz+abz運(yùn)動(dòng)+abz向心+abz切向+Δbz噪聲＝gncosθsinγ+abz運(yùn)動(dòng)+(r1z×ωx2+r2z×ωy2)+(r3z×βx+r4z×βy)+Δbz噪聲 根據(jù)車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況以及運(yùn)動(dòng)約束條件，結(jié)合對(duì)大量車載MIMU試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出所述步驟(3)中的加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式 abx運(yùn)動(dòng)＝fbx-gnsinθ-Δbx噪聲 aby運(yùn)動(dòng)＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx2-r1y×ωz2-Δby噪聲 abz運(yùn)動(dòng)＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx2-r1z×ωy2-Δbz噪聲 上述各式(包括各加速度計(jì)的輸出信息方程和加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式)中 abj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；fbj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；gn為車載MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分別為車載MIMU的姿態(tài)角(車載MIMU的坐標(biāo)系x軸與靜地坐標(biāo)系x軸之間的夾角)、滾動(dòng)角(車載MIMU的坐標(biāo)系z(mì)軸與靜地坐標(biāo)系z(mì)軸之間的夾角)；rj(j＝y(tǒng)，z)為y軸、z軸方向加速度計(jì)的桿臂長(zhǎng)度；rij(i＝1；j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的敏感點(diǎn)到車載MIMU的瞬間運(yùn)動(dòng)圓弧圓心的距離；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；Δbj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲加速度；gbj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)所感測(cè)的重力加速度；rj(j＝y(tǒng)，z)為y軸、z軸方向加速度計(jì)的桿臂長(zhǎng)度；rij(i＝1，2，3，4；j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的敏感點(diǎn)到車載MIMU的瞬間運(yùn)動(dòng)圓弧圓心的距離；abj向心(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的向心加速度；abj切向?yàn)閤軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的切向加速度；βj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的角加速度。
在車載MIMU運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各陀螺的輸出信息方程為 ωx＝ωx運(yùn)動(dòng)+kxx×ax+kxy×ay+kxz×az+Δωx噪聲 ωy＝ωy運(yùn)動(dòng)+kyx×ax+kyy×ay+kyz×az+Δωy噪聲 ωz＝ωz運(yùn)動(dòng)+kzx×ax+kzy×ay+kzz×az+Δωz噪聲 根據(jù)車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況以及運(yùn)動(dòng)約束條件，結(jié)合對(duì)大量車載MIMU試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出所述步驟(4)中的陀螺輸出信息的有用信息提取式 ωx運(yùn)動(dòng)＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪聲 ωy運(yùn)動(dòng)＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪聲 ωz運(yùn)動(dòng)＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪聲 上述各式(包括各陀螺的輸出信息方程和陀螺輸出信息的有用信息提取式)中 ωj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)為陀螺的加速度敏感系數(shù)；aj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；Δωj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲信息。
通過(guò)對(duì)多次車載MIMU試驗(yàn)輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取其中兩次車載MIMU試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1、表2所示。
表1第一次車載MIMU試驗(yàn)輸出信息數(shù)據(jù)表
表2第二次車載MIMU試驗(yàn)輸出信息數(shù)據(jù)表
表1、表2中，t為車載MIMU的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；θ為車載MIMU的姿態(tài)角；Φ為車載MIMU的方位角；γ為車載MIMU的滾動(dòng)角；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；aj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息。從表1、表2可以看出，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，車載MIMU中加速度計(jì)的輸出信息跟角速度和姿態(tài)角的變化有密切關(guān)系，車載MIMU中陀螺的輸出的角速度信息也跟加速度和姿態(tài)角的變化有密切關(guān)系。表1、表2所示的車載MIMU試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效驗(yàn)證了本發(fā)明所述的一種車載MIMU輸出信息解算方法的可行性和精確性。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)車載MIMU中加速度計(jì)和陀螺的輸出信息中的各種信息成分進(jìn)行具體分析，有效解決了現(xiàn)有車載MIMU的導(dǎo)航解算方法導(dǎo)航解算精度較低的問(wèn)題，適用于航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的慣性導(dǎo)航與定位。

具體實(shí)施例方式 一種車載MIMU輸出信息解算方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的 (1)標(biāo)定出車載MIMU中各加速度計(jì)與陀螺的桿臂長(zhǎng)度； (2)標(biāo)定出各陀螺受加速度影響的加速度敏感系數(shù)； (3)將車載MIMU運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)角、各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及桿臂長(zhǎng)度帶入加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式，求出各加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；所述加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式具有如下形式 abx運(yùn)動(dòng)＝fbx-gnsinθ-Δbx噪聲 aby運(yùn)動(dòng)＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx2-r1y×ωz2-Δby噪聲 abz運(yùn)動(dòng)＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx2-r1z×ωy2-Δbz噪聲 上式中abj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；fbj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；gn為車載MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分別為車載MIMU的姿態(tài)角、滾動(dòng)角；rj(j＝y(tǒng)，z)為y軸、z軸方向加速度計(jì)的桿臂長(zhǎng)度；rij(i＝1；j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的敏感點(diǎn)到車載MIMU的瞬間運(yùn)動(dòng)圓弧圓心的距離；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；Δbj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲加速度； (4)將各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系數(shù)帶入陀螺輸出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；所述陀螺輸出信息的有用信息提取式具有如下形式 ωx運(yùn)動(dòng)＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪聲 ωy運(yùn)動(dòng)＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪聲 ωz運(yùn)動(dòng)＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪聲 上式中ωj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)為陀螺的加速度敏感系數(shù)；aj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；Δωj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲信息。
權(quán)利要求
1.一種車載MIMU輸出信息解算方法，其特征在于該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的
(1)標(biāo)定出車載MIMU中各加速度計(jì)與陀螺的桿臂長(zhǎng)度；
(2)標(biāo)定出各陀螺受加速度影響的加速度敏感系數(shù)；
(3)將車載MIMU運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)角、各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及桿臂長(zhǎng)度帶入加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式，求出各加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；所述加速度計(jì)輸出信息的有用信息提取式具有如下形式
abx運(yùn)動(dòng)＝fbx-gnsinθ-Δbx噪聲
aby運(yùn)動(dòng)＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx2-r1y×ωz2-Δby噪聲
abz運(yùn)動(dòng)＝fbz-gn cosθsinγ-rz×ωx2-r1z×ωy2-Δbz噪聲
上式中abj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；fbj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；gn為車載MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分別為車載MIMU的姿態(tài)角、滾動(dòng)角；rj(j＝y(tǒng)，z)為y軸、z軸方向加速度計(jì)的桿臂長(zhǎng)度；rij(i＝1；j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的敏感點(diǎn)到車載MIMU的瞬間運(yùn)動(dòng)圓弧圓心的距離；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；Δbj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲加速度；
(4)將各加速度計(jì)的輸出信息、各陀螺輸出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系數(shù)帶入陀螺輸出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；所述陀螺輸出信息的有用信息提取式具有如下形式
ωx運(yùn)動(dòng)＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪聲
ωy運(yùn)動(dòng)＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪聲
ωz運(yùn)動(dòng)＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪聲
上式中ωj運(yùn)動(dòng)(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度；ωj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺輸出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)為陀螺的加速度敏感系數(shù)；aj(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向加速度計(jì)的輸出信息；Δωj噪聲(j＝x，y，z)為x軸、y軸、z軸方向陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的噪聲信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及車載MIMU導(dǎo)航解算方法，具體是一種車載MIMU輸出信息解算方法。解決了現(xiàn)有車載MIMU的導(dǎo)航解算方法導(dǎo)航解算精度較低的問(wèn)題。一種車載MIMU輸出信息解算方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的(1)標(biāo)定出車載MIMU中各加速度計(jì)與陀螺的桿臂長(zhǎng)度；(2)標(biāo)定出各陀螺受加速度影響的加速度敏感系數(shù)；(3)求出各加速度計(jì)沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度；(4)求出各陀螺沿其敏感方向所感測(cè)的車載MIMU實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度。本發(fā)明通過(guò)對(duì)車載MIMU中加速度計(jì)和陀螺的輸出信息中的各種信息成分進(jìn)行具體分析，有效解決了現(xiàn)有車載MIMU的導(dǎo)航解算方法導(dǎo)航解算精度較低的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01C21/20GK101793524SQ20101013476
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者李 杰, 張文棟, 張樨, 張會(huì)新, 柯艷, 孔祥雷, 杜英 申請(qǐng)人:中北大學(xué)