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2、题（,2,分钟）,一、课程导入,20,世纪,60,年代末期，车载导航定位系统概念才被提出来。在,20,世纪,90,年代时期，随着,gps,的建立，车载导航定位系统才走进民用领域并得以普及。由于,gps,能全天候、全时段为全球用户提供快速而精准定位服务，这一时期车载导航定位系统得到了迅猛的发展。同时由于,gps,在信号遮挡和干扰的情况下无法定位或是不可靠，出现了把,gps,与其他导航定位技术组合使用的组合导航技术，组合导航技术的作用是什么呢？,定位系统,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,二、组合导航系统,2.1,组合导航系统的定义,组合导航技术一般指的是采用
3、两种或两种以上具有测量特性优势互补的导航系统对同一信息源进行测量，从而获得更高导航精度的技术。通常情况下，一种导航系统提供短时精度高的信息，另一种导航系统提供长期稳定性高的信息。采用组合导航技术的导航系统为组合导航系统（,integrated navigation system,，,ins,）。,组合导航系统,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,二、组合导航系统,2.2,组合导航系统的分类,组合导航系统按照导航组合方式，常见的类型有如下几种：,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,gps与惯性导航系统组合,北斗与惯性导航系统
4、组合,双差分gps与惯性导航系统组合,二、组合导航系统,2.3,组合导航系统的优点,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,组合导航系统比单一的导航系统在导航精度上具有更大的优势，因为：,（,1,）组合导航系统中各导航系统的测量性能一般是互补的，因此组合导航系统测量的导航信息精度要高于单个导航系统的测量精度。,（,2,）组合导航系统具有导航机构冗余功能，多种导航系统可测量同一信息源，测量信息冗余能有效保证导航工作的可靠性。,在多种导航系统组合中，卫星导航系统（,gnss,）和惯性导航系统是各种组合导航的主要配置，是组合导航中主流的导航系统。,其中，,gnss,提
5、供长期稳定性高的信息。如前文所述，采用实时动态技术的卫星导航系统（,gnss-rtk,，,gnss-real-time kinematic,）可实现全球、全天候、全天时定位,且绝对位置准确，但是有一定的信号延时，且在受到遮挡时，信号丢失，无法做到定位；容易受到电磁环境干扰等。,而惯性导航系统提供短时精度高的信息，弥补了,gnss,的不足。而且，惯性导航系统的独特优势使其成为自动驾驶定位系统中不可替代的存在。,二、组合导航系统,2.4,组合导航系统的功能,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,协合超越功能,组合导航系统能充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统
6、不具备的功能和精度,互补功能,由于组合导航系统综合利用了各子系统的信息，所以各子系统能取长补短，扩大使用范围,余度功能,各子系统感测同一信息源，使测量值冗余，提高整个系统的可靠性,二、组合导航系统,2.5,组合导航系统与其他导航系统的区别,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,比较项目,惯性导航,卫星导航,组合导航,对卫星信号的依赖性,不依赖卫星信号,依赖于卫星信号,无卫星信号时惯性导航系统仍能正常工作,工作时的隐蔽性,隐蔽性好，不受外界信息干扰,易受外界干扰,使用卫星导航时易受外界干扰,导航定位误差,随运动载体运行时间误差不断积累,误差与运动载体运行时间无关
7、,惯性导航系统的误差可由卫星导航系统修正,能否提供载体的姿态、航向信息,可提供载体的姿态航向信息,单个终端无法提供载体姿态信息,能提供载体的姿态信息,产品经济成本,价格昂贵,价格较低,价格较高,二、组合导航系统,2.6 gps/dr,组合导航定位系统,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,车辆航位推算（,dr,）是利用载体上某一时刻的位置，根据航向和速度信息，推算得到当前时刻的位置，即根据实测的汽车行驶距离和航向计算其位置和行驶轨迹。它一般不受外界环境影响，但由于其本身误差是随时间积累的，单独工作时不能长时间保持高精度。,gps/dr,组合导航定位系统由,gp
8、s,、及电子罗盘、里程计和导航计算机等组成。,gps/dr,组合导航定位系统的组成,二、组合导航系统,2.6 gps/dr,组合导航定位系统,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,gps/dr,组合导航定位系统，关键在于如何将两者的数据融合，以达到最优的定位效果。,将,gps,和,dr,的定位信息综合用于定位求解，通过卡尔曼滤波来补偿修正,dr,系统的状态，同时滤波之后的输出又能够为,dr,系统提供较为准确的初始位置和航向角，从而能够获得比单独使用任意一种定位方法都更高的定位精度和稳定性。,gps/dr,组合导航定位系统数据融合,三、惯性导航系统,3.1,惯性
9、导航系统的定义,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,惯性导航系统（,inertial navigation system,ins,）是一种利用惯性测量单元（,imu,）测量载体的比力（比力是指相对于惯性坐标系，作用于单位质量物体上的除引力之外的力）以及角速度信息，结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。具体来说，惯性导航系统属于一种航迹推算方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动载体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。,gps/dr,组合导航定位系统数据融合,惯性导航原理图,三、惯性导航系统,3.2,
10、惯性导航系统的组成,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,惯性导航系统主要由惯性测量单元（,imu,）、信号处理和机械力学编排,3,个模块组成。,惯性导航系统实物图,惯性系统主要模块,三、惯性导航系统,3.2,惯性导航系统的组成,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,惯性测量单元（,imu,）是惯性导航系统的核心元件，典型的惯性测量单元（,imu,）包括,3,个相互正交的单轴加速度计（,accelerometer,）和,3,个相互正交的单轴陀螺仪（,gyroscopes,），其结构下图所示。,惯性测量单元结构,三、惯性导航系统
11、,3.3,惯性导航系统类型,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,惯性导航系统主要由惯性测量单元（,imu,）、信号处理和机械力学编排,3,个模块组成。惯性导航系统根据机械力学编排形式的不同，可分为平台式惯性导航系统（,gimbaled inertial navigation system,，,gins,）和捷联式惯性导航系统（,strap-down inertial navigation system,，,sins,）。,（,1,）平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载体固定连接的惯性导航系统。根据建立的坐标系不同，
12、又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。,三、惯性导航系统,3.3,惯性导航系统类型,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。,本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。,在平台式惯性导航系统中，框架能
13、隔离运动载体的角振动，仪表工作条件较好，并且直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正仪表的输出，但是结构复杂，尺寸大，其造价、维修费用都十分昂贵。,平台式惯性导航原理框图,三、惯性导航系统,3.3,惯性导航系统类型,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,（,2,）捷联式惯性导航系统是,20,世纪,60,年代发展起来的，将惯性测量单元（,imu,）直接安装在载体而非机电平台上，以数学平台和计算机实现机电式导航平台功能的导航技术。其基本原理是将惯性测量单元直接固连在载体上，测得的都是载体坐标系下的物理量。这些元件测量出沿载体坐标系三轴的运动载体的角速度和线加速
14、度，计算机实时计算出姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测量的载体坐标系的轴向加速度信息变换到导航坐标系。如图,6.14,所示是捷联式惯性导航原理框图。,捷联式惯性导航原理框图,三、惯性导航系统,3.4,惯性导航的主要不足,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,惯性导航定位系统主要不足在于比较大的累积误差。就像蒙着眼睛走路，走出第一步的时候，可以计算得到第一步时相对于,0,步位置的方向和距离，然后，再以走出第一步的位置为初始位置，再走出一步，就得到第二步相对于第一步时的方向和距离。这样一直走下去，就可以得到第,n,步的行走路线以及最终的方向和距离了。实际上，每走一
15、步就不可避免的有一个微小的误差，在走了,n,之后，误差会累积起来，变得比较大了，如图,6.17,所示，人走第一步时，估计位置与实际位置还比较接近，但随着步数增多，估计位置与实际位置的差别越来越大。所以惯性导航系统，如果在短距离定位的时候，会比较准确，但是要实现长距离定位的话，定位误差就比较大。所以比较好的方法就是，将卫星定位和惯性导航定位系统结合在一起，这样就可以弥补两者的不足。,如下图所示，通过,gnss,的作用类似蒙着眼睛走路碰到路标后对自己的位置进行修正，,imu,的作用就类似于小碎步，不断地对自己的位置进行推算，两者结合，就能保证自己的定位相对稳定和准确。,三、惯性导航系统,3.4,惯
16、性导航的主要不足,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,imu,原理定位原理,gps,对,imu,定位的修正,三、惯性导航系统,3.5,惯性导航系统是组合导航中必不可少的关键部件,课程导入,组合导航系统,惯性导航系统,组合导航在智能汽车上的应用,总结,组合导航融合了多种导航技术以得到更高的精度和安全性。其中，惯性导航系统因其独特优势而成为各种组合导航系统（包括自动驾驶定位系统）中不可替代的存在，惯性导航系统的,imu,和,gps,组合定位如下图所示。,（,1,）惯性导航系统是唯一可以输出完备的六自由度数据的设备，惯导能够计算,x,y,z,三个维度的平动量（位置、速度、加速度）和转动量（角度、角速度），并可以通过观测模型，推测其他传感器状态的测量值，再用预测值和测量值的差用于加权滤波。若要获得实时的姿态角、方位角、速度和位置，惯性导航系统是唯一的选择。,（,2,）惯性导航的数据更新频率更高，可以提供高频率的定位结果输出。摄像头的帧率一般是,30hz,，时间不确定性为,33ms,；,gnss,延迟一般是,100-200ms,；而惯导预测状态的延迟最短只有几