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基于GNSS/SINS组合导航的安防小车巡航平台设计

李祥鹏  
【摘要】:近几年安防巡逻机器人以及无人车在现代社会应用越来越广泛,人们对其关注度不断提高,这也引发了人们对自动巡逻、自动驾驶的研究兴趣。GNSS导航系统与SINS导航系统是比较明显的能够互相弥补的导航系统,因此针对于二者组合导航的相关研究比较丰富,但其中有相当一部分研究都只做了仿真,并没有进行实物相关测试。本文以实现安防小车巡航平台为目标,从搭建实物平台开始依次实现SINS导航系统、GNSS导航系统、SINS/GNSS组合导航系统,完成整个项目设计。本文实现的安防小车巡航平台在系统层面上主要分为两层系统,分别是属于上层系统的导航计算子系统与属于底层系统的运动控制子系统。其中,导航计算子系统主要有SINS系统、SINS/测速组合导航系统以及SINS/GNSS/测速组合导航系统,除此之外还负责接收、解析上位机的导航命令与对底层运动控制子系统的控制。而运动控制子系统除了接收命令还包括人机交互子系统用来显示当前系统状态。在以东北天作为导航坐标系的基础上实现SINS系统,并针对于其核心步骤姿态解算进行了比较细致的研究,优化了应用比较广泛的姿态解算算法Mahony算法。其次为了修正SINS系统中的误差,将其与测速模块做第一次组合导航,用来阻尼东向与北向的速度;随后将第一次组合后的输出与GNSS再一次组合,得到系统最终的输出。并针对于使用的硬件架构特点对组合算法的相关数学运算进行了优化。两次组合均是针对于误差进行预估,因此采用的都是Kalman滤波器。Kalman滤波器的特点就是在线性系统下、噪声特性服从高斯分布时能做到最优估计。最后在室内静止静态、室内静止动态、室外动态的条件下做了一系列实验。实验分别验证了SINS/测速组合导航在动态响应上以及误差累积上都比单独的SINS系统优良的多。室外动态实验结果表明其SINS/GNSS/测速组合导航系统的精度会随着时间的累积而增加。


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