MIMU/GPS/磁力计单兵系统组合导航技术研究

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利用GPS实现室外定位功能应经得到了广泛的应用,但对于人们活动区域频繁的室内GPS却因信号微弱甚至缺失而无法实现定位。目前,国外已经针对室内定位技术开展了广泛的研究,而国内才刚刚起步,由此可见室内定位系统(IPS,Indoor PositionSystem)是未来导航定位发展的趋势,它将给人们的生活带来诸多的便利,但如何实现实时精确的定位是室内定位技术的关键点。因此,本论文将以实现低成本、高精度的室内定位功能为重点展开基于MIMU/GPS/磁力计的单兵组合导航系统室内、室外定位技术的研究工作。论文以微惯导系统MIMU为研究对象,在介绍捷联惯导系统工作原理的基础上,又研究了其它辅助传感器GPS和磁力计的基本原理并对他们的误差进行了分析,以提高系统的定位精度。对于MIMU、GPS和磁力计多传感器的信息融合问题,本文选择利用卡尔曼滤波来实现其信息融合。首先通过详细的推导,建立了系统位置误差方程、姿态误差方程和速度误差方程,然后在此基础上建立了Kalman滤波模型,并通过仿真实验进行了验证,为单兵导航系统室外定位功能的实现建立了理论模型。针对室内无GPS信号情况下系统如何实现定位功能的问题,本文创新地提出了一种基于MIMU/磁力计组合并结合零速校正技术来实现单兵导航系统室内定位的方法。其中通过引入隐马尔科夫模型并结合人们脚步行走时的运动特点,提出了一种新的零速检测算法,此方法与传统的零速检测算法相比不仅能够准确地检测出正常行走时的零速区间,对于慢跑及快跑时零速区间的检测也有很好的效果。通过一系列的试验对比也证明了此方法与其它零速检测方法的优越之处:可靠性高、稳定性好。在零速检测技术基础上,本文设计了基于零速校正的Kalman滤波器,通过改进Kalman滤波算法,不仅实现了对系统速度的修正,同时对姿态和位置也进行了有效的修正,从而保证了单兵导航系统室内定位的精度。最后通过室外试验和室内试验对本文的理论进行了验证,其中室外试验结果表明,MIMU/GPS/磁力计组合模式下的单兵导航系统室外定位具有很高的精度;针对MIMU/磁力计组合模式下的单兵导航系统室内定位功能方面,试验结果表明在短时间内系统具有良好的定位效果,速度、位置和姿态误差都得到了有效的控制,可以满足短时间内单兵系统室内定位的使用需求。
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