视觉惯性及卫星组合导航系统研究

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1、硕士学位论文视觉惯性及卫星组合导航系统研究RESEARCHONINTEGRATEDNAVIGATIONSYSTEMSOFVISIONINERTIAANDSATELLITE魏振楠哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：V249.32+8学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文视觉惯性及卫星组合导航系统研究硕士研究生：魏振楠导师：伊国兴研究员申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249.32+8U.D.C:621.3Dissertationfort

2、heMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONINTEGRATEDNAVIGATIONSYSTEMSOFVISIONINERTIAANDSATELLITECandidate：WeiZhennanSupervisor：Prof.YiGuoxingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-In

3、stitution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，低成本微机械惯性导航系统在消费电子领域，特别是在旋翼式飞行器、相机稳定平台、虚拟现实及增强现实设备中得到了越来越广泛的应用。为了满足市场需求，实现低成本微机械陀螺仪的批量化生产，现阶段市场中微机械惯性器件的主要材料为硅。但硅基微机械惯性器件的输出噪声大，零偏易受环境温度影响，故而由其构成的导航系统仅能提供姿态信息，无法给出定位测速信息。卫星导航系统与单目视觉导航系统则分别能在室外与室内完成定位测速任务，但受导航系统尺寸等因素限制，无法进行姿态测量。本文以低成本微机械惯

4、性、卫星及视觉导航系统为基础，设计组合导航算法，实现室内及室外环境的组合导航系统。本文的主要研究内容和取得的成果概述如下：1.建立姿态估计系统坐标系，推导坐标变换关系；推导微机械惯性器件输出模型，并结合该模型给出利用三轴转台进行标度因数、零偏以及安装误差矩阵的标定方法；结合离散扩展卡尔曼滤波器原理，以姿态四元数为状态变量，姿态角为观测值设计姿态估计算法；设计并完成微机械姿态估计及卫星定位系统硬件及软件，并给出系统测试结果。2.建立单目视觉定位系统坐标系，推导坐标变换关系；推导相机模型并给出标定方法；结合OpenCV及ArUco，给出平面编码标识物的识别和校验方法；设计相机位置、姿态

5、估计算法，结合实际硬件完成视觉定位系统，并给出系统测试结果。3.根据低成本导航系统特性，提出统一组合导航滤波器模型，并以该模型为基础，设计实现了微机械惯性卫星组合导航系统、微机械惯性视觉组合导航系统和微机械惯性卫星视觉组合导航系统，并分别对各系统进行了静态或动态测试。4.根据微机械惯性传感器输出模型，结合相应姿态估计算法，实现硬件仿真系统；利用微机械姿态估计及卫星定位系统和视觉定位系统，在所设计的实验方法指导下，采集原始数据，并根据设计完成的组合导航算法，利用计算机进行数据处理，分析算法性能。关键词：微机械惯性传感器；视觉导航；卫星导航；组合导航；卡尔曼滤波-I-哈尔滨工业大学工学

6、硕士学位论文AbstractLowcostmicro-mechanicalinertialnavigationsystemisusedmoreandmorewidelyduringrecentyearsinthefieldofconsumerelectronics,speciallyinmulti-rotoraircraft,camerastabilizationplatformandvirtualrealityoraugmentedrealitydevices.Inordertomeetthemarketdemandsandachievethemassproductionofmi

7、cro-mechanicalgyroscope,siliconischosenasthemainmaterialofmicro-mechanicalinertialdeviceatthisstage.However,forsilica-basedmicro-mechanicalgyroscope,theoutputnoiseislargeandthebiasiseasilyinfluencedbytheenvironmenttemperature,whichcause