基于GPS和惯性导航的果园机械导航系统研究--《西北农林科技大学》2013年硕士论文
基于GPS和惯性导航的果园机械导航系统研究
【摘要】：为实现果园机械自动化作业，本文旨在研究一套基于GPS和惯性导航的果园机械自动导航控制系统。由于单一的导航系统不能满足现代农业机械的导航定位的精度要求，而组合导航定位系统精度较高，成本低廉。在众多组合导航系统中，本研究选择了GPS与惯性导航（INS）组合导航系统，以GPS和陀螺仪作为导航传感器，开发自动导航系统。本研究主要内容包括：
（1）对GPS-OEM板进行了二次开发，根据需要设计了其外围通讯电路，设置了输出语句类型和语句格式。对调试好的GPS-OEM板做了单点定位测量实验，并通过卡尔曼滤波对测量数据进行了处理，将平均定位误差从滤波前的1.165m减小到了滤波后的0.516m。
（2）根据果园机械实际工作情况，规划了果园机械行驶路径，包括树行间的直线行走和地头转弯行走。对转弯路径采取了以直代曲的路径规划法，这样可以减少计算量，便于实现。在VC++6.0平台下设计了系统的相关软件程序，包括主控制程序、GPS接收程序、卡尔曼滤波算法程序和转向控制程序等。
（3）对GPS和惯性导航组合导航系统常用的几种组合方式进行了分析，并根据具体情况选择了适合该导航系统的松散组合方式中的速度位置组合。该组合方式算法较简单，也易于工程实现，且具有良好的组合效果。
（4）以福田欧豹拖拉机为实验平台，对GPS-OEM板和天线、陀螺仪、拉线位移传感器、速度传感器等及相关电路进行了安装。根据控制系统实现功能要求，设计了硬件组合结构和硬件连接原理图，并制作了PCB板。
（5）对系统各单元进行了测试，主要包括GPS-OEM板接收数据的性能，转向控制机构的性能和CAN通讯。通过测试可知，系统具有较高的可靠性。
【学位授予单位】：西北农林科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN96.2
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400-819-9993惯性导航系统和微惯导航系统的区别
一、惯性导航系统和微惯导航系统的定义
我们所说的惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运导航载体在导航坐标系中的速度和位置，同时惯性导航系统也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统，其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下，惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
一般我们所说的微惯性导航系统（Micro-INS，Micro-Inertial-Navigation System）简称“微惯导”，是一种基于微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）传感器技术的微型惯性导航系统。
微机电系统（以下简称MEMS）也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
二、 增强型组合导航（RTK) PA-GS02：
以西安精准测控为例：旗下所生产的增强型组合导航（RTK) PA-GS02，PA-GS02是一款通用微机械惯导是一款通用微机械惯导，内置4°/h（Allan方差）的MEMS陀螺，100ug（Allan方差）的MEMS加速度计，双天线GNSS，具备惯性/卫星/里程计/DVL组合导航、双天线定向、RTK、零速修正等功能。此款微机惯性导航系统可靠性高，环境适应性强。通过匹配不同的软件，产品可广泛应用于无人机、测绘、船用罗经、稳定平台、水下运载器等领域。
精准测控自主研发生产的微惯导航系统增强型组合导航（RTK) PA-GS02特点：
1) 战术级惯性器件：陀螺优于4°/h（Allan方差），加速度计优于100ug
2) 3模GNSS接收机：支持北斗、GPS、GLONASS；
3) 高可靠性：MTBF&20000h，寿命&15年；
4) 全温范围内（-40℃~60℃）保证精度：内置高性能温度标定和补偿算法；
5) 内置高性能惯性/卫星/里程计组合导航算法：有效克服遮挡、多路径的干扰，隧道、桥梁等导致GNSS失效后的定位精度可达1%D（D为里程，按照CEP统计，保证精度的时间是3min内）；
6)支持2种不同条件的定向：动态下的单GNSS的定向，静态下的双GNSS定向；
7) 支持无人机应用：适用无人机的高振动环境，在GNSS失效时，产品自动进入垂直陀螺模式，航姿精度可长时间保持；
8) 支持测绘应用：支持测绘导航软件的后处理，后处理定位精度达到厘米级；
9)支持船用罗经应用：支持船舶升沉的测量；
10)支持稳定平台应用：全参数测量、测量带宽&200Hz（3dB）；
11) 接口丰富：4路RS232/RS422，2路CAN，1路USB，4路轮速里程计，5路同步输入（其中4路与轮速里程计复用，1路为GNSS的EVENT），3路同步输出（其中1路为GNSS的PPS）；
12) 支持各类外部辅助设备：里程计、DVL、GNSS、气压传感器、地磁传感器。
2. 精准测控基础型mems组合导航系统PA-GS01
PA-GS01是一款基于MEMS技术惯性平台并融合了卫星导航技术的高性价比组合导航系统。该系统选用高精度的MEMS惯性器件，结合GPS/BD单频双模卫星导航系统，内置磁航向测试系统，同时搭载了高度测量方案，它可以实现组合导航、AHRS、垂直陀螺等工作模式的灵活切换，满足组合导航应用需求，特别适用于无人机、车载导航、水面航行器等运动物体的导航及控制。
3. 精准测控基础型mems低成本组合导航PA-GS
低成本组合导航系统PA-GS，是一款基于MEMS技术融合了卫星导航技术的性价比极高的测量设备，低成本组合导航目前被广泛于导航、控制和动态测量，系统通过多项补偿技术保证测量精度，并采用严格生产工艺保证产品在恶劣的环境下仍能精确地测量载体的角运动和线运动参数。
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西安精准测控公司研发并生产陀螺，加速度计，倾角传感器，垂直陀螺等产品
西安精准测控公司一直致力于惯性产品及导航系统的研发与生产。
今日搜狐热点一文深度剖析惯性导航在车载GPS卫星导航中的应用
一、GPS卫星导航GPS卫星导航，是根据GPS卫星提供的位置信息，以及导航前规划的线路，指引用户行驶的一个系统。二、惯性导航之前有介绍，惯性导航其实是最早使用的导航系统之一。 惯性导航是一种通过测量运动物体的加速度，并自动进行积分运算，获得运动物体瞬时速度和瞬时位置数据的技术。 惯性导航系统一般安装在运动物体内部，工作时不用依赖外界提供信息就能进行导航，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航的优势和限制：惯性导航具有体积小、成本低、精度高、不依赖外界信息、抗干扰能力极强、隐蔽性好等特点。惯性测量装置一般包括加速度计和陀螺仪。加速度计是测量物体的加速度，陀螺仪又被叫做角速度传感器，是测量角速度的。利用这些装置记录的参数就可以计算并导航了。 但是由于采样频率一般很高（一秒内几十甚至几百次），所以累加起来误差很容易扩大，所以长时间使用惯性导航会导致误差很大，所以惯性导航适合在短时间内使用。惯性导航的应用：日常车载GPS卫星导航中，常常会经过地下停车场、隧道、高架桥、密林小路、高楼林立的窄道等地段，导航突然不动了，直到把车开到开阔的天空下，导航中的车位图标才突然跳过去，体验很不好。在失去位置的时候，惯性导航软件知道速度、车辆的位置、行驶路线等信息。结合加速度传感器提供的加速度，可以根据二次积分的方式计算出加速度产生的位移，然后根据初始速度计算出速度产生的位移，进而推算出车辆最新的位置。这样，在没有GPS卫星信号的情况下仍然可以使用惯性导航。所以在车载导航领域，惯性导航以后的应用多是和GPS卫星导航结合起来使用天工测控的惯性导航+GPS卫星导航一体的车载组合导航系统SKM-4DX三、6轴加速度传感器GPS是通过接收卫星发送的信号计算出自身位置的，当GPS导航设备被遮挡后，GPS设备就无法定位了。遮挡的情况很多，比如车顶、高架桥、房屋、隧道、地下停车场等。这时候可以通过速度、时间、距离的关系，根据最后一次GPS信号计算的速度，来推测可能的位置。如果在隧道内、高架桥梁下等地段车辆是匀速运动，这个方法可能很好的实现导航。但是如果减速了，就会出现地图上的车位很快的跑到了隧道终点，然后停下来等着。反之，如果加速了，就会出现车位走了一半，然后突然跳出隧道。要解决这两种情况就需要加速度传感器。有了加速度，就能更好的推测当前的速度，从而解决上述问题。加速度传感器是一种能够测量加速力，将加速度转换为电信号的电子设备。它是利用牛顿第二定律A=F/M，通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形，通过测量其变形并用相关电路转化为电压输出，得到相应的加速度信号。惯性导航系统SKM-4DX的硬件基础是BMI160，它将加速传感器与陀螺仪的结合于一体，具有理想的信噪比，使得惯性测量组件可提供精确、可靠的测量结果。四、30度车辆姿态角SKM-4DX导航模块利用多年对MEMS惯性器件的研究经验，通过自适应滤波算法实现了对陀螺仪漂移和加速度震动信号的滤波，并进一步可以获得高精度的姿态信息，从而可以满足坡道检测等车辆监控和导航应用的各种需求。车辆仰角、俯角可以达到30度。五、组合导航模块的应用场景（1）用在地下公交站的准确定位和导航，比如在深圳福田交通枢纽，在公交车上应用此卫星+惯性导航模块，公交车可以在地下准确报站；（2）隧道里面提供速度校准，避免刚出隧道时非正常超速；（3）提高地下停车场的定位，结合停车场地图，可以准确寻车。（4）高端前装车辆开始追求更高精度的定位，特别是城市峡谷和高架桥下等弱信号场景。
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惯性导航系统
惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
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惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动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。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。
现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航等等，其中，只有惯性导航是自主的，既不向外界辐射东西，也不用看天空中的恒星或接收外部的信号，它的隐蔽性是最好的。
惯性导航，并不像大家所认为的那样“不靠谱”，像国家的很多战略、战术武器，再如洲际飞行的民航飞机等，都必须依赖惯性导航系统或者惯导系统和其他类型的导航系统的组合。它的造价也比较昂贵，像一台导航级（即1小时误差1海里）的惯导系统，至少要几十万，而这种精度的导航系统已足够配备在波音747这样的飞机上了。现在，随着mems（微电子机械系统）惯性器件技术的进步，商业级、消费品级的惯性导航才逐渐走进寻常百姓家
惯性导航系统优点
惯性导航系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。
惯性导航系统缺点
其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格较昂贵；4、不能给出时间信息。
但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。
惯性导航系统分类
INS惯性导航系统
1.捷联式惯性导航系统
2.解析式惯性导航系统
3.半解析式惯性导航系统
惯性导航系统应用
惯性导航系统用于各种运动机具中，包括飞机、潜艇、航天飞机等运输工具及导弹，然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。
惯性系统最先应用于火箭制导，美国火箭先驱罗伯特.戈达尔（ ROBERT GODDARD ）试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人改进应后，应用于 V-2火箭 制导。战后美国麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究，从而发展成应用飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统。
惯性导航系统重要性
惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一， 惯性技术是利用惯性原理或其它有关 原理，自主测量和控制运载体运动过程的技术，它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和 惯性敏感器技术的总称。 现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下， 己经从最初的军 事应用渗透到民用领域。 惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。 对于惯性制导的中远程导弹， 一 般说来命中精度 70%取决于的精度。对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位 置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因 而需要提供高精度位置、 速度和垂直对准信号。 目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯 性导航系统。 惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航， 不依赖外部信 息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。对于远程 巡航导弹， 惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术， 可保证它飞越几千公里之 后仍能以很高的精度击中目标。 惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地 质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工 业、 医疗电子设备中都得到了应用。 因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的 地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
惯性导航系统发展
惯性系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。它至少应由一个惯性测量装置、一个数字计算机和一个控制显示装置及一个专用精密电源所组成。运载体的运动是在三维空间里进行的，它的运动形式，一是线运动，一是角运动。不论线运动还是角运动都是三维空间的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性平台。有了三轴惯性平台，才能提供测量三自由度线加速度的基准。测得己知方位的三个线加速度分量，通过计算机计算出运载体的运动速度及位置，所以第一大类惯导系统方案是平台式惯性导航系统。没有“机电”平台，将惯性元件陀螺仪和加速度计直接安装在运载体上，在计算机中建立一个“数学”平台，通过复杂计算及变换,得到运载体的速度和位置，这种无机电平台式惯导系统就是第二大类惯导系统方案，称之为捷联式惯导系统
从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。 从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、 速度和位置信息的技术和方法。 早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息，随着科学技术的发展，无线电 导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世，在军事、民用等领域广泛应用。其中，惯 性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、 速度、 位置等信 息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，简称惯导系统。
捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，简写 SINS)是将 加速度计和陀螺仪直接安装在载体上， 在计算机中实时计算姿态， 即计算出载体坐 标系与导航坐标系之间的关系， 从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下 的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高 以及使用灵活等优点，使得 SINS 已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测 量组件(Inertial Measurement Unit，简写 IMU)是惯导系统的核心组件，IMU 的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。
陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。现代高精度的惯性导航系统对所采用的陀螺仪和加速度计提出了很高的要求，因为陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接 的和最重要的因素，因此如何改善惯性器件的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是 陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。 陀螺仪的发展经历了几个阶段。最初的滚珠轴承式陀螺， 其漂移速率为(l-2)°/h， 通过攻克惯性仪表支撑技术而发展起来的气浮、液浮和磁浮陀螺仪，其精度可以达到 0.001°/h，而静电支撑陀螺的精度可优于 0.0001°/h。从 60 年代开始，挠性陀螺的 研制工作开始起步，其漂移精度优于 0.05°/h 量级，最好的水平可以达到 0.001°/h。
1960 年激光陀螺首次研制成功，标志着光学陀螺开始主宰陀螺市场。目前激光陀螺的 零偏稳定性最高可达 0.0005°/h，激光陀螺面临的最大问题是其制造工艺比较复杂， 因而造成成本偏高， 同时其体积和重量也偏大， 这一方面在一定程度上限制了其在某些 领域的发展应用， 另一方面也促使激光陀螺向低成本、 小型化以及三轴整体式方向发展。 而另一种光学陀螺-光纤陀螺不但具有激光陀螺的很多优点， 而且还具有制造工艺简单、 成本低和重量轻等特点，目前正成为发展最快的一种光学陀螺
惯性导航系统我国发展
我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、 激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、、、、等。如漂移率0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05°/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的性能。
．光明科技[引用日期]
． 科普园地[引用日期]
杨艳娟. 捷联惯性导航系统 关键技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2001
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