摘要
低成本、高精度、高可靠性的自主导航系统是移动机器人高效工作和大规模推广的关键。微机电系统惯性测量单元(Micro-Electro-Mechanical System Inertial Measurement Unit, MEMS IMU)因其价格低廉、尺寸小，且具有连续稳定地感知载体三维运动信息的能力，在多传感器组合导航系统框架中处于核心地位。然而，由于MEMSIMU噪声大且传感器误差不稳定性明显等缺点，传统车载惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)误差积累十分迅速，导致其应用发展受到非常大的限制。 本文受旋转调制技术启发，设计并实现了一套基于车轮安装MEMSIMU(Wheel mounted IMU，Wheel-IMU)的组合导航系统(Wheel mounted IMU-based Integrated Navigation System, Wheel-INS)，能够提升MEMSIMU的独立航迹推算能力，更大程度地发挥其在轮式机器人导航中的作用。本文主要研究工作和贡献如下： 1)针对Wheel-IMU的安装误差问题，设计并实现了安装角(即IMU坐标系与车轮坐标系差异)离线标定和杆臂(即IMU测量中心与车轮旋转中心的相对位置关系)在线估计算法。实验表明，离线标定方法可以有效地估计IMU安装角，且有很好的重复性。同时杆臂误差可以在系统中得到稳定可靠的实时估计，内符合精度为亚毫米级，从而为Wheel-INS更有效地发挥作用提供了先决条件。 2)充分利用Wheel-IMU的运动特性，设计了三种不同的约束算法：车轮中心速度约束、里程增量约束和车轮触地点零速约束。本文给出了详细的算法推导过程，并从观测信息的角度分析了三种约束算法的等价性。实验结果表明，三种约束算法的相对定位精度相当，最大水平位置误差都在运动总距离的1%~1.5%之间。相比于传统里程计辅助惯导(ODO/INS)的组合方式，Wheel-INS对IMU零偏误差更不敏感。尤其是当车轮结构更稳定、转速更高时，Wheel-INS可以表现出更好的定位性能。 3)针对单Wheel-INS定位稳健性不足且只适用于水平面运动场景的问题，本文设计并实现了基于车体安装多MEMSIMU的多系统组合航迹推算算法(包括双Wheel-INS、车身INS+单Wheel-INS、车身INS+双Wheel-INS)，实现多系统之间的信息互补和相互约束。实验结果表明，该方案可行性高，且多系统约束可以提供各子系统之间的加权平均结果，能够表现出更稳健的定位性能。另外，包含车身INS的多系统中，Wheel-INS可以利用车身INS提供的载体水平姿态信息将定位能力由二维拓展到三维，使Wheel-INS不再局限于水平面运动场景。 本文对基于车轮安装MEMSIMU的航迹推算方案进行了全面而透彻的研究，包含了不同算法和车体不同IMU配置方案的设计实现和比较分析，为Wheel-INS应用于轮式载体的导航定位提供了技术准备。
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