【摘 要】
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随着世界进入人工智能时代,无人驾驶汽车进入实用化阶段,诸多世界科技巨头投资无人驾驶领域,而高精度的导航技术是无人驾驶的关键技术之一。对于无人车,尤其军用无人车,装备有车载火炮和雷达的军事车辆更加关注车体姿态的精度,如果考虑到卫星拒止的条件,则实现自主的高精度姿态测量和保持将成为技术难点。本文针对无人车在不依赖卫星条件下如何实现自主的高精度姿态测量和保持问题进行了研究,主要研究内容和创新点如下:1)
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随着世界进入人工智能时代,无人驾驶汽车进入实用化阶段,诸多世界科技巨头投资无人驾驶领域,而高精度的导航技术是无人驾驶的关键技术之一。对于无人车,尤其军用无人车,装备有车载火炮和雷达的军事车辆更加关注车体姿态的精度,如果考虑到卫星拒止的条件,则实现自主的高精度姿态测量和保持将成为技术难点。本文针对无人车在不依赖卫星条件下如何实现自主的高精度姿态测量和保持问题进行了研究,主要研究内容和创新点如下:1)研究了无人车自主高精度惯性姿态基准技术总体方案。首先选择了自主的传感器,使用光纤陀螺捷联惯导系统与激光多普勒测速仪（LDV）组合导航进行姿态测量,给出了整体系统的传感器空间配置与系统同步方案,推导了激光测速仪的误差模型,研究了现有的组合滤波技术并最终确定选择使用工程适用性强的状态变换卡尔曼滤波器（ST-EKF）作为惯性/激光多普勒测速仪组合导航滤波算法。2)研究了光纤陀螺温度漂移补偿方法。首先理论分析了光纤陀螺温度漂移对于姿态测量的影响,针对分段温度漂移补偿间断点不连续问题研究了基于分段温度漂移估计的光纤陀螺温度漂移补偿方法。提出了一种基于角增量的最小二乘温度漂移分段估计方法,设计了温控箱实验对光纤陀螺温度漂移误差进行了有效补偿,另外使用基于地球自转角速度模值的方法估计了光纤陀螺的剩余零偏,通过4个小时固定位置实验比较温度补偿前与温度补偿后的寻北重复性精度和航向保持精度,验证了本文提出的温度补偿方法的有效性,补偿后的寻北重复性精度全温范围内由于0.015°,航向保持精度优于0.03°。3)研究了捷联惯导高精度标定方法。首先建立了陀螺仪和加速度计的误差模型,分析了标定参数误差对于姿态测量精度的影响。研究了分立式标定方法,利用陀螺辅助进行加速度计的非线性误差的标定,估计了二次项和振摆以及尺寸效应误差;研究了基于ST-EKF的的系统级标定方法,估计了加速度计二次项以及尺寸效应误差。所研究的两种方法均能够实现高精度惯导标定要求,在不断电重复测量条件下,以重力模值为基准,加速度计标定残差值小于2×10-6g;以地球自转角速率模值为基准,陀螺标定残差值均方差小于0.003°/h。在三轴转台上进行4个小时动态姿态测量实验验证,不考虑初始姿态误差,结果表明通过分立式方法标定后的光纤陀螺捷联惯导姿态测量结果:水平姿态误差漂移最大变化量小于0.011°/4h,航向误差漂移最大变化量0.023°/4h。同样,通过系统级方法标定后的结果:水平姿态误差漂移最大变化量小于0.015°/4h,航向误差漂移最大变化量0.026°/4h。最后分析了分立式标定和系统级标定差异的原因,分析了ST-EKF相比于传统EKF在减小计算量上的优势,对比了分立式标定和系统级标定的优点和缺点。4)研究了基于ST-EKF的惯性/激光测速仪组合导航方法。推导了惯性/激光测速仪组合导航系统方程和观测方程。首先在转台上验证了惯性/激光测速仪组合导航的姿态测量精度,在不考虑初始姿态误差情况下,能够达到4小时内水平姿态误差漂移最大变化量小于0.0065°（纯惯导为0.011°）,航向角误差漂移最大变化量小于0.016°（纯惯导为0.023°）。然后在空旷的卫星信号良好路段进行了车载实验,以惯导/卫星组合导航结果作为姿态测量结果比较对象,比较了ST-EKF和传统EKF组合导航方式的姿态测量精度差异。最终结果表明基于ST-EKF的惯性/激光测速仪组合导航姿态结果与惯性/卫星组合姿态结果一致性更好,其水平角差值均值小于0.0025°,均方差小于0.008°,航向角差值均值小于0.1°,均方差小于0.06°,因此基于ST-EKF的光纤陀螺捷联惯导/激光测速仪组合导航解算的姿态结果更能够适用于用作无人车自主的高精度姿态基准。
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