随着无人驾驶技术的发展，车载导航对航向角精度要求越来越高，低成本的MEMS 陀螺将不能满足其需求，而光纤陀螺相比于MEMS 陀螺能够更好地保持航向角精度。但对于陆上车辆导航来说，光纤陀螺成本太高。因此降低光纤陀螺惯导系统成本十分重要[1]。 国外学者在这方面做了许多研究，主要是通过减少惯性测量器件的数量来降低惯导系统成本[2]。针对城市内车辆导航，文献[1]提出了由一个陀螺、两个加速度计和里程计构成的简化惯导系统，其中陀螺提供航向信息，加速度计用来测量俯仰和横摇角度信息，里程计提供速度信息。但这种简化惯导系统假设载体平面和水平面重合，忽略了水平角度信息为导航计算引入的误差，并且里程计测速误差受车轮直径变化的影响[3]，车辆在进行变速运动时，利用加速度计信息求解的俯仰和横摇角度有较大误差。为消除里程计误差，文献[2]采用激光雷达取代里程计，但这又增加了系统成本。因此本文提出一种新型简化惯导系统，由一个单轴光纤陀螺、三个加速度计和一个低成本水平倾角传感器构成。光纤陀螺测量车辆的航向角速率，加速度计测量载体加速度信息，倾角传感器测量水平角度信息。所设计的新型惯导系统在短时间内能保持较高的导航精度，但导航误差会随时间积累，为克服这一问题，文献[4]提出了使用粒子滤波的RISS /GPS 组合导航系统，能有效提高系统性能，但该系统的航向角精度并没有太大提升。文献[5]对双天线GNSS /INS 组合导航技术进行研究，该系统的航向角精度有了很大提高。因此为保证导航系统的航向角精度，本文采用双天线GPS 与设计的RISS 进行组合导航，应用卡尔曼滤波算法对RISS 数据进行修正，进行仿真对比实验对双天线GNSS /INS 组合导航算法效果进行验证。1简化惯导系统设计
本文设计的简化惯导系统由一个单轴光纤陀螺、三个加速度计和水平倾角传感器组成。光纤陀螺平行于载体坐标系Z 轴竖直安装，测量载体竖直方向的旋转角速率，用于航向角的求解；倾角传感器用于测量载体的纵横摇角度信息；加速度计平行
与载体水平坐标轴安装，测量载体的纵轴和横轴比力信息，通过积分运算获得载体的速度位置信息。其简化惯导系统原理图如图1所示。
图1简化惯导系统原理图地球破洞
1.1航向角求解
在简化惯导系统中，单轴陀螺仪测量的角速度信息包含了载体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在载体坐标系竖直方向上的分量，地球自转角速度分量，以及由载体运动引起的角速度分量。因此，在进行航向角解算时，需要将后两项角速度分量从陀螺仪测量值中剔除掉。则在导航坐标系下的航向角变化率为:
ψ̇=w b z cos γcos θ-w n ie
sin φ-νn
x tan φR+h
(1)
式中:Ψ为航向角,w b
z 为陀螺仪输出角速度,w n ie 为地球自传角速度,θ和γ分别问纵摇角和横摇角,φ为纬度,v n
x 为载体在导航系下东向速度,R 和h 为地球半径和高度。1.2速度求解
恩丹西酮通过式(1)求得载体的航向角，再根据倾角传感器测得纵横摇角，进而可以求得姿态矩阵，将三个加速度计测得的载体比力信息，投影到导航坐标系，除去有害加速度即可得到载体在导航坐标系下的加速度信息，则载体的速度更新方程如下:
ν̇n
x =f n x矩阵革命
+2ωn ie sin φ+νn
x R tan φ()νn y -2ωn ie cos φ+v n
x R tan φ()
νn z ν̇n
y =f n y
-2ωn ie sin φ+νn
x R tan φ(
)
νn x -νn
y R νn z 基于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计
李嘉晶
张
岳(哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)
重型机械标准>海洋环境科学Design of Integrated Navigation System Based on Single-axis Fiber Optic Gyroscope
摘要：针对陆上车辆导航定位设计了一种基于单轴光纤陀螺的简化惯导系统(Reduced Inertial Sensor System ,RISS )，该系统由一个单轴光纤陀螺、三个加速度计和一个倾角传感器组成。为获得较高精度的航向信息利用双天线GPS 和RISS 进行组合，构成双天线GPS /RISS 组合导航系统，应用卡尔曼滤波技术实现数据融合，并进行仿真实验和跑车试验验证所设计系统的合理性。仿真实验结果证明双天线GPS /RISS 组合导航系统与GPS /RISS 组合导航系统相比，航向精度得到显著提升。跑车实验结果表明，设计双天线GPS /RISS 组合导航系统的位置误差小于2m ，航向角误差小于1°，能满足车载导航定位定向需求。
关键词：简化惯导系统；单轴光纤陀螺；双天线GPS ；组合导航；卡尔曼滤波
Abstract 押This paper designs a Reduced Inertial Sensor System based on single-axis fiber optic gyro for ground vehicle navigation and positioning.The designed system consists of a single-axis fiber optic gyroscope熏three accelerometers and an inclination sensor.In order to obtain high -precision heading information熏the dual-antenna GPS and RISS are combined to develop a dual-antenna GPS /RISS integrated navigation system.Thererfor熏Kalman filtering technology is used to achieve data fusion.The system is tested with a moving car.
Keywords 押reduced inertial sensor system熏single-axis fiber optic gyroscope熏dual antenna GPS熏integrated navigation熏Kalman
filter
基于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计
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