基于多项式卡尔曼滤波器的车辆定位试验.pdf

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1、第28卷第18期农业工程学报2012年9月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、，01．28No．18Sep．201249基于多项式卡尔曼滤波器的车辆定位试验赵汝祺1’2，赵祚喜1※，赵汝准1(1．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642；2．华南农业大学公共基础课实验教学中心，广州510642)摘要：为了研究多项式卡尔曼滤波器在车辆定位中的应用特性，分析阶数对多项式卡尔曼滤波器估算精度的影响以及评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能，该文通过多项式拟合对非线

2、性系统建模，构建多项式卡尔曼滤波器并进行车辆多传感器融合定位试验验证。首先分析了多项式的阶数对多项式卡尔曼滤波器的影响和多项式卡尔曼滤波器的工作性能评价方法；其次，在车辆定位常用的里程计航位推算公式的基础上分别使用O阶、t阶和2阶多项式对车辆纵向速度和航向角进行拟合，建立0阶、l阶和2阶多项式卡尔曼滤波器。在Pioneer3-AT移动机器人平台上进行试验，多项式卡尔曼滤波器融合信息来源于里程计和AHRS传感器，RTK-GPS测量轨迹作为参考轨迹；同时将卡尔曼滤波理论误差和实际误差进行对比分析，验证了多项式卡尔曼滤波器的工作性能。试验结果显示，所建立的多项式卡尔

3、曼滤波器的实际误差均在超过68％的滤波时间里处于理论误差范围内，验证了滤波器的工作性能正常。0阶多项式卡尔曼滤波器定位精度在j，、y轴方向上分别比里程计航位推算法提高63％和77％；l阶的定位精度优于0阶，2阶的定位精度优于0阶但劣于1阶，说明更高阶的多项式对里程计航位推算公式的车辆纵向速度和航向角拟合，对提高定位精度并无重要作用。该文研究对构建多项式卡尔曼滤波器，评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能，以及多项式卡尔曼滤波器在车辆定位的实践应用提供参考。关键词：车辆，定位，多项式，算法，拟合，卡尔曼滤波器，多传感器融合doi：10．3969，j．issn．1002

4、—6819．2012．18．008中图分类号：$220．1文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一18—0049—08赵汝祺，赵祚喜，赵汝准．基于多项式卡尔曼滤波器的车辆定位试验[J]．农业工程学报，2012，28(18)：49—56．ZhaoRuqi，ZhaoZuoxi，ZhaoRuzhun．ExperimentofvehiclelocalizationbasedonpolynomialKalmanfilter[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transa

5、ctionsoftheCSAE)，2012，28(18)：49—56．(inChinesewithEnglishabstract)0引言自主导航车辆需要高精度的自主定位为前提。将内部传感器和外部传感器进行融合经常被应用于解决车辆定位问题【lj。目前最广泛应用的车辆多传感器融合定位算法是卡尔曼滤波算法12J。卡尔曼滤波算法理论上需要理想的系统模型进行预测。由于现实中的车辆运动的不确定性和非线性的，一般情况下很难得到精确描述实际车辆运动的系统模型【3】。泰勒多项式可通过泰勒级数展开对非线性系统进行拟合，具有实现简单、收敛迅速的特点，可用于卡尔曼滤波系统模型的建立【

6、4】，使系统模型更准确的描述真实车辆运动，从而使卡尔曼滤波器具收稿日期：2012．03．17修订日期：2012—07—23项目基金：国家自然科学基金项目(61175081)；农业部“948”计划项目(2011-G32)；教育部博士点基金项目(20114404110003)作者简介：赵汝祺(1980一)，男，汉族。广东湛江人，主要从事机械与车辆自动控制系统的设计研究。广州华南农业大学公共基础课实验教学中心，510642。Email：zhaoruqi@126．tom※通信作者：赵祚喜(1968一)，男，土家族，湖南慈利人，教授，博士生导师，主要从事机械与车辆自动控

7、制系统的设计研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email：zhaocom有更好的车辆位置状态估计性能。使用多项式拟合，首先需要确定阶数，由于多项式的阶数对拟合精度有影响H，选择合适的阶数对车辆运动系统进行拟合建模，对提高系统模型的预测精度有实践指导意义。在导航领域的机动目标跟踪和组合导航研究中，均有通过多项式拟合建立卡尔曼滤波系统模型的应用【5。17l。其中，对目标运动的建模主要是在直线运动模型的基础上构建多项式模型【5,6,16-17]。以上研究并未分析多项式阶数对多项式卡尔曼滤波器的状态估计性能的影响。PaulZarchan等[4】分析了多项式

8、的阶数对卡尔曼滤波器拟合精度的影响，但