[發明專利]一種附有GNSS速度矢量輔助的車載姿態估計方法

有效

• 申請號: 202011373852.7
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112683267B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 周澤波;張澤亮;吳藎
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本發明公開了一種附有GNSS速度矢量輔助的車載姿態估計方法，屬于導航領域。該方法首先利用陀螺儀與加速度計檢驗GNSS速度，通過滑動遞推窗口補償運動加速度，在第一級濾波中融合陀螺儀與加速度計數據；然后利用GNSS速度檢驗磁力計模型中的磁場干擾，在第二級濾波中融合磁力計數據；最后建立GNSS速度觀測矢量對方程，建立滾轉/滾轉?偏航約束方程，完成第三級濾波。設計了級聯式間接卡爾曼濾波器結構，對于不同傳感器同步和異步均適用，每一級更新都使得下一級的量測模型線性化更加精準。所用的測量傳感器間交叉檢驗，有益于誤差補償與修正。在整個過程中本發明實現了GNSS速度矢量信息價值的最大化。

技術領域

本發明屬于導航領域，具體涉及附有GNSS速度矢量輔助的MARG多傳感器級聯式車載姿態估計方法。

背景技術

近幾十年來，隨著自動駕駛技術需求的快速增長，獲取準確可靠的車輛姿態(俯仰、滾轉和偏航)變得非常重要。典型應用場景包括車輛導航和智能感知、移動衛星通信、車輛編隊、車輛橫向/穩定性控制系統等。隨著微機電(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術的發展，MEMS陀螺儀與加速度計已被廣泛應用于估計載體的姿態信息。然而，由于存在陀螺漂移與數值積分誤差，往往需要其他的低成本傳感器進行輔助，以抑制偏航累積誤差。與慣性傳感器集成在一起的最為常用的一種傳感器是磁力計。這種集成設備也被稱為MARG(magnetic,angular rate and gravity,MARG)傳感器陣列。總體而言，使用MARG傳感器進行車輛姿態估計仍然具有挑戰性，特別是對于一些未知的應用場景，其間通常伴隨內部或外部未建模的誤差源，如運動加速度和磁場干擾。作為重要的補充，全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)速度能夠給MARG姿態估計帶來眾多好處。然而，在GNSS和MARG傳感器數據融合過程中仍存在一些關鍵問題：(1)傳統GNSS輔助慣性傳感器測姿主要通過構造多維慣導誤差狀態的卡爾曼濾波器同時估計載體位置、速度與姿態參數(PVA)，但該架構姿態信息可觀性差，PVA環路誤差耦合嚴重。(2)低成本傳感器觀測數據質量不高，平臺計算資源受限，需建立高效、魯棒的數據融合測姿架構；(3)目前GNSS速度信息在姿態估計中的使用過于簡單，未能實現其價值的最大化。比如，采用一階GNSS速度差分計算補償加速度計觀測與參考矢量對的外部加速度干擾項，其無法適應具有高階動力學特性的載體測姿場景。又如將GNSS速度矢量所導出的歐拉角直接融合MARG的方式使得部分誤差內在統計特性對姿態求解的影響缺失。而在GNSS弱信號場景下所輸出的速度信息未經系統級的交叉檢驗反而極易導致MARG姿態解不穩定甚至發散。(4)當發生磁場干擾、載體機動、GNSS多路效應等復雜境況時，如何保障姿態估計融合算法的適應性與魯棒性。

發明內容

針對上述問題，本發明提出一種附有GNSS速度矢量輔助的MARG多傳感器級聯式車載姿態估計方法。

本發明方法首先利用陀螺儀與加速度計檢驗GNSS速度，通過滑動遞推窗口補償運動加速度，在第一級濾波中融合陀螺儀與加速度計數據；然后利用GNSS速度檢驗磁力計模型中的磁場干擾，在第二級濾波中融合磁力計數據；最后建立GNSS速度觀測矢量對方程，建立滾轉/滾轉-偏航約束方程，完成第三級濾波。設計了級聯式間接卡爾曼濾波器結構，對于不同傳感器同步和異步均適用，每一級更新都使得下一級的量測模型線性化更加精準。所用的測量傳感器間交叉檢驗，有益于誤差補償與修正。在整個過程中本發明實現了GNSS速度矢量信息價值的最大化，主要表現在以下四個方面：(1)使用GNSS速度的滑動時間窗口提取運動加速度時變特征，從而精準補償MARG系統模型中的外部加速度干擾項；(2)將車輛載體系與GNSS坐標系關聯，形成GNSS速度觀測矢量對，以實現與MARG多矢量對匹配測姿模型的統一；(3)利用GNSS速度矢量構造關聯參數以實現磁場干擾的實時可靠檢測；(4)GNSS速度矢量對模型用于車載姿態估計過程中的陀螺漂移與加速度計零偏誤差的同步估計。

本發明的技術方案為：一種附有GNSS速度矢量輔助的車載姿態估計方法，包括以下步驟：