[发明专利]一种基于载体运动条件约束和单轴旋转调制的车载自主导航方法

说明书

本发明公开了一种基于载体运动条件约束和单轴旋转调制的车载自主导航方法，属于导航技术领域。本发明所述方法将MEMS IMU安装在车轮中心，使其随着车辆行驶而旋转。基于旋转IMU的输出计算载体前行速度，并联合非完整性约束条件(NHC)，形成载体三维速度观测量；利用改进的捷联惯性导航解算方程，基于旋转IMU的惯性输出，解算载体位置、速度与姿态信息。基于扩展型卡尔曼滤波，将载体三维速度作为观测量，实现对惯性系统误差的在线估计，并对载体位置、速度与姿态误差进行修正，进而提高车载自主导航精度。

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及一种基于载体运动条件约束和单轴旋转调制的车载自主导航方法。

背景技术

随着智能交通技术的迅猛发展，车辆导航系统(LVNS)成为研究热点，被广泛应用于多种应用场景，包括车队管理系统、碰撞规避制动及车辆跟踪系统等。卫星/惯性组合导航系统因其互补性，在车辆导航系统中广泛应用。但由于城市建筑、隧道、树木等易造成卫星信号遮挡，期间导航解算仅基于惯性导航系统完成，导致导航误差迅速累积并发散。这种情况在基于MEMS IMU(Micro ElectroMechanical System Inertial Measurement Unit，微机电系统惯性测量单元)的惯性系统中尤为显著。MEMS传感器所具有的高噪声水平和零偏不稳定性使其自主导航模式面临极大的挑战，位置误差在较短的时间内可累计至数千米。如何提高惯性系统自主导航精度，延长其自主导航时间是提高车载导航系统可靠性、鲁棒性和精度的关键。

在没有其他传感器辅助的情况下，车辆运动约束条件常用于限制惯性导航系统误差累积。在车辆静止状态下时可使用零速修正(ZUPT)与零角速度修正(ZARU)来抑制误差累积，但这将限制车辆的机动性。非完整性约束条件(NHC)指在车辆正常运行时，沿竖直方向和横向方向的速度分量近似为零。利用此先验条件，可以在一定程度上改善车辆在运动状态下的惯性导航误差累积。但此方法的主要缺陷在于：第一，观测量中缺少车辆前向行驶速度；第二，惯性系统误差可观测度与载体机动性高度相关，车辆正常行驶时机动性较弱，从而会降低部分惯性误差的估计精度。因此，NHC仅能在较短的时期内抑制导航误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术基于惯性系统的车载自主导航方法研究的不足，提供一种基于载体运动条件约束和单轴旋转调制的车载自主导航方法。将MEMS IMU安装在车轮中心，使其随着车辆行驶而旋转。基于旋转IMU的输出计算载体前行速度，并联合非完整性约束条件(NHC)，形成载体三维速度观测量；利用改进的捷联惯性导航解算方程，基于旋转IMU的惯性输出，解算载体位置、速度与姿态信息。基于扩展型卡尔曼滤波，将载体三维速度作为观测量，实现对惯性系统误差的在线估计，并对载体位置、速度与姿态误差进行修正，进而提高车载自主导航精度。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于载体运动条件约束和单轴旋转调制的车载自主导航方法，包括以下步骤：

步骤1.基于旋转IMU的虚拟里程计计算载体前行速度和车轮旋转角度；

将IMU安装在车轮中心，使IMU随着载体运动而旋转；o-x_sy_sz_s代表传感器坐标系，o-x_by_bz_b代表载体坐标系；当载体运动时，o-x_sy_sz_s绕x_s轴旋转；在传感器坐标系中，IMU实际输出的比力和角速率/分别由式(1)和式(2)表示：