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CN109387197B - 一种螺旋前进设备导航误差补偿方法 - Google Patents

一种螺旋前进设备导航误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及惯性导航系统设计技术，具体公开了一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，在读取惯性/里程计数据和路标点数据后对惯性导航系统初始对准，进行滤波计算，再判断检测设备当前是否处于静止状态和当前的运动状态以及是否到达路标点，直到达到最后一个路标点并处理完成。本方法能够消除现有惯导/里程计组合导航设备后处理计算中，因中途停止造成的累积误差，同时利用静止条件提高后处理定位精度。

Description

一种螺旋前进设备导航误差补偿方法
技术领域
本发明涉及惯性导航系统设计技术，具体涉及一种用于测绘的螺旋前进设备后处理导航误差的补偿方法。
背景技术
在测绘领域，采用惯性导航系统或组合导航系统开展工作已经是一种常见的方式了，尤其在管道测绘领域，采用惯导/里程计组合结合地面高精度的磁标信号作为路标点的方案，取得了很好的实用效果。该方案中，组合导航设备搭载内检测设备进入管道，进行螺旋前进，并且实时采集惯导和里程计的信息并存储，用于地面后处理，得到测绘结果。这种方案中，测绘结果精度一方面取决于组合导航设备的精度，另一方面也直接取决于路标点的多寡疏密程度，在组合导航设备精度一定的前提下，路标点越多越密，测绘精度就越高。并且在测量过程中，有时会出现内检测设备卡在管道中的情况，延长了组合导航设备工作时间，也会导致测绘精度的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，能够消除现有惯导/里程计组合导航设备后处理计算中，因中途停止造成的累积误差，同时利用静止条件提高后处理定位精度。
本发明的技术方案如下：
一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤1)读取惯性/里程计数据和路标点数据；
步骤2)进行惯性导航系统初始对准，得到惯导系统的初始姿态；
步骤3)对滤波器进行初始化，并转入惯导/里程计定位定向滤波状态，进行滤波计算；
步骤4)根据惯性测量单元和里程计的测量数据判断检测设备当前是否处于静止状态；
步骤5)判断设备当前的运动状态是否到达路标点，进行以下判断：
5.1)如果当前既不是静止状态，也没有到达路标点，则继续保持惯导/里程计定位定向滤波状态；
5.2)如果当前不是静止状态，但到达了路标点，采用路标点位置作为观测，开始执行路标点间的后处理算法模块；
5.3)如果当前是静止状态，但没有到达路标点，则采用该数据点的速度信息作为观测，开始执行虚拟路标点间的后处理算法模块；
5.4)如果当前是静止状态，同时也到达了路标点，则同时采用路标点位置和数据点的速度信息作为观测量，开始执行融合的路标点间后处理算法模块；
步骤6)达到最后一个路标点并处理完成。
本发明的显著效果如下：消除现有惯导/里程计组合导航设备后处理计算中，因中途停止造成的累积误差，同时利用静止条件提高后处理定位精度。在进行设备数据后处理时，实时检测设备的运动状态，若设备处于静止状态，则将静止状态点设为虚拟路标点，以速度作为观测量，进行融合后处理计算，有效提高该虚拟路标点与前一路标点(或虚拟路标点)之间路径的速度精度和姿态精度，有利于提高后处理定位精度。
附图说明
图1为本方法的实施步骤示意图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本方法的具体步骤如下。
步骤1)读取惯性/里程计数据和路标点数据；
惯性/里程计数据包括：实时存储的惯性器件测量信息、里程计测量信息及其测量时间；
路标点数据包括：各路标点的位置信息和检测设备达到路标点的时间；
可对上述数据的正确性进行检查。
所述的正确性检查是指：其中路标点数据中应至少包含两个路标点的详细位置信息及检测设备到达每一路标点的时间；惯性/里程计数据的信息开始数据点测量时间要至少早于检测设备到达某个路标点的时间，结束点测量时间要至少晚于检测设备到达该路标点的下一个路标点的时间，否则数据正确行检查失败，流程终止。
步骤2)进行惯性导航系统初始对准，得到惯导系统的初始姿态
其中惯性导航系统的对准可以采取自对准方式，也可以通过外部高精度的辅助设备进行装订对准或者传递对准。
步骤3)对滤波器进行初始化，并转入惯导/里程计定位定向滤波状态，进行滤波计算；
其中滤波器可是线性的卡尔曼滤波器，也可以是非线性的滤波器，如扩展卡尔曼滤波器等，根据实际选用的惯性测量单元、里程计的性能，以及路标点的定位精度，设定滤波器的初始值。
另外，在滤波计算的过程中，应采用闭环修正的方式修正估计误差。
步骤4)根据惯性测量单元和里程计的测量数据判断检测设备当前是否处于静止状态；
首先根据惯性测量单元和里程计的测量数据判断检测设备当前是否处于静止状态，包括陀螺仪和加速度计输出数据的平方和是否处于各自的阈值范围内，里程计的输出数据是否为零，如果陀螺仪输出数据的平方和小于给定阈值，加速度计输出数据的平方和与重力的平方的差，小于给定阈值，且里程计输出数据为零，则认为检测设备在该时间点处于静止状态，否则认为其处于运动状态。
步骤5)判断设备当前的运动状态以及是否到达路标点
5.1)如果当前既不是静止状态，也没有到达路标点，则继续保持惯导/里程计定位定向滤波状态；
5.2)如果当前不是静止状态，但到达了路标点，采用路标点位置作为观测，开始执行路标点间的后处理算法模块；
该步骤的后处理算法模块中，可以选择正反滤波算法等公知方法。
在起点采用里程计输出的速度信息作为观测量，对惯性解算进行组合导航滤波算法，到达路标点后，将路标点位置信息作为观测量，进行滤波计算，之后再以该路标点为起点，进行滤波器反向滤波计算，同样采用闭环修正的方式修正估计误差，之后再进行一次正向滤波计算。
5.3)如果当前是静止状态，但没有到达路标点，则采用该数据点的速度信息作为观测，开始执行虚拟路标点间的后处理算法模块；
该步骤的后处理算法模块，与步骤5.2)后处理算法模块类似。将静止状态点设定为虚拟路标点，在起点采用里程计输出的速度信息作为观测量，对惯性解算进行组合导航滤波算法，到达虚拟路标点后，以该虚拟路标点为起点，进行滤波器反向滤波计算，同样采用闭环修正的方式修正估计误差，之后再进行一次正向滤波计算。
5.4)如果当前是静止状态，同时也到达了路标点，则同时采用路标点位置和数据点的速度信息作为观测量，开始执行融合的路标点间后处理算法模块；
该步骤的后处理算法模块，是步骤5.2和步骤5.3后处理算法模块的综合。在起点采用里程计输出的速度信息作为观测量，对惯性解算进行组合导航滤波算法，到达路标点后，将路标点位置信息作为观测量，进行滤波计算，之后再以该路标点为起点，进行滤波器反向滤波计算，同样采用闭环修正的方式修正估计误差，之后再进行一次正向滤波计算。
步骤6)达到最后一个路标点并处理完成。

Claims (8)

1.一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)读取惯性/里程计数据和路标点数据；
步骤2)进行惯性导航系统初始对准，得到惯导系统的初始姿态；
步骤3)对滤波器进行初始化，并转入惯导/里程计定位定向滤波状态，进行滤波计算；
步骤4)根据惯性测量单元和里程计的测量数据判断检测设备当前是否处于静止状态；
步骤5)判断设备当前的运动状态以及是否到达路标点，进行以下判断：
5.1)如果当前既不是静止状态，也没有到达路标点，则继续保持惯导/里程计定位定向滤波状态；
5.2)如果当前不是静止状态，但到达了路标点，采用路标点位置作为观测，开始执行路标点间的后处理算法模块；
5.3)如果当前是静止状态，但没有到达路标点，则采用该数据点的速度信息作为观测，开始执行虚拟路标点间的后处理算法模块；
5.4)如果当前是静止状态，同时也到达了路标点，则同时采用路标点位置和数据点的速度信息作为观测量，开始执行融合的路标点间后处理算法模块；
步骤6)达到最后一个路标点并处理完成；
所述的步骤5.3)中的后处理算法模块的算法具体为：
将静止状态点设定为虚拟路标点，在起点采用里程计输出的速度信息作为观测量，对惯性解算进行组合导航滤波算法，到达虚拟路标点后，以该虚拟路标点为起点，进行滤波器反向滤波计算，同样采用闭环修正的方式修正估计误差，之后再进行一次正向滤波计算。
2.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于：对步骤1)得出的惯性/里程计数据和路标点数据进行正确性进行检查，具体为
路标点数据中应至少包含两个路标点的详细位置信息及检测设备到达每一路标点的时间；惯性/里程计数据的信息开始数据点测量时间要至少早于检测设备到达某个路标点的时间，结束点测量时间要至少晚于检测设备到达该路标点的下一个路标点的时间，否则数据正确性 检查失败，流程终止。
3.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于，
惯性/里程计数据包括：实时存储的惯性器件测量信息、里程计测量信息及其测量时间；
路标点数据包括：各路标点的位置信息和检测设备达到路标点的时间。
4.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤2)惯性导航系统的方式为自对准、辅助设备进行装订对准或者传递对准。
5.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤3)的滤波计算的过程中，采用闭环修正的方式修正估计误差。
6.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤4)所述的静止状态需要同时满足以下三个条件：
陀螺仪输出数据的平方和处于自身阈值范围内；
加速度计输出数据的平方和处于自身阈值范围内；
以及里程计的输出数据为零。
7.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤5.2)中的后处理算法模块中采用的是正反滤波算法。
8.如权利要求1所述的一种螺旋前进设备导航误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤5.4)中后处理算法模块的算法具体为：
在起点采用里程计输出的速度信息作为观测量，对惯性解算进行组合导航滤波算法，到达路标点后，将路标点位置信息作为观测量，进行滤波计算，之后再以该路标点为起点，进行滤波器反向滤波计算，同样采用闭环修正的方式修正估计误差，之后再进行一次正向滤波计算。
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