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专利号: 2018115422790
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于节点信息共享的载机局部姿态精确估计方法,其特征在于:首先建立一个多节点惯性网络系统,包括一个主IMU节点和多个子IMU节点,主节点位于机身重心位置,各子节点分布于机翼及其余机身位置,然后,按照以下步骤实施:

第一部分:对于单个子节点的精度优化策略,将每个子节点IMU与主节点IMU进行传递对准,得到较高精度的子节点导航数据;

第二部分:结合离散卡尔曼滤波方程进行局部卡尔曼滤波算法编排,并引入逆向卡尔曼滤波以及双向融合算法,提高单节点的传递对准结果;

第三部分:利用子节点之间相距位置较近以及运动的连续性特点,对各子节点之间进行信息转换计算,将不同节点信息转换至某一节点,并对该节点的导航信息进行融合,得到更高精度的状态估计结果。

2.根据权利要求1所述的基于节点信息共享的载机局部姿态精确估计方法,其特征在于:所述的第一部分中,具体过程是,步骤1:确定主节点、子节点传递对准匹配方式,步骤2:构造“速度+姿态”传递对准的量测方程和状态方程:

2.1)选取滤波状态量,表达式为:

其中, 为子惯导姿态误差; 为子惯导速度误差; 为子惯导陀螺常值漂移;

为子惯导加速度计常值偏置;μT为子惯导常值安装误差角; 为子惯导所在处机翼的挠曲变形角, 为子惯导所在处机翼的变形角速率,各个变量及表达式右上角的T表示转置;

2.2)采用二阶马尔科夫过程描述机翼的挠曲变形,表达式为:其中, 指的是对θ求导数,κ=2.146/τ,τ为二阶马尔科夫过程的相关时间;λ为方差是

4κ3σ2的白噪声,σ为挠曲变形角的均方差;

2.3)构建系统状态空间模型,表达式为:

式中,

其中, 为n系相对于i系的运动角速率, 为 的反对称矩阵, 为地球自转角速率在n系分量, 为运载体绕地球表面运动引起的角速率在n系的分量, 为子惯导转换至n系的矩阵,fs为子惯导的比力输出, 为子惯导陀螺随机游走, 为子惯导加计随机漂移;

2.4)进行滤波量测量,选取速度匹配量测量与姿态匹配量测量,滤波量测量的表达式为:

Zvθ=[Zv Zθ]T  (5)

其中,速度匹配量测量与姿态匹配量测量分别表示为:其中, 为子惯导输出速度; 为主惯导输出速度; 为子惯导处杆臂速度; 为主惯导解算姿态矩阵; 为子惯导解算姿态矩阵;

上述的式(1)、式(4)、式(5)、式(6)一起构成了速度+姿态匹配传递对准的卡尔曼滤波系统状态方程和量测方程。

3.根据权利要求2所述的基于节点信息共享的载机局部姿态精确估计方法,其特征在于:所述的第二部分中,具体过程是,步骤3:根据得到的卡尔曼滤波系统状态方程以及量测方程,构建离散型卡尔曼滤波方程,由以下五个基本方程构成:

3.1)状态一步预测方程:

其中,X为步骤2.1)中的状态量,右下标k表示在k时刻的状态量,上标 表示对X的状态一步估值,Φk/k-1为tk-1时刻至tk时刻一步转移矩阵, 是根据 计算得到的对Xk的一步状态预测;

3.2)状态估计方程:

其中,Kk为滤波增益方程,Zk为步骤2.4)中求得的量测方程,Hk为量测阵;

3.3)一步预测的均方误差阵:

其中,Γk-1为系统噪声驱动阵,Qk为系统噪声序列的方差阵,为非负定阵,Pk表示k时刻的均方误差,Pk-1表示k-1时刻的均方误差,Pk/k-1为由tk-1时刻至tk时刻的均方误差,Q对应表示与P相同;

3.4)滤波增益矩阵:

其中,Rk为量测噪声序列的方差阵,为正定阵;

3.5)估计均方误差方程是:

Pk=(I-KkHk)Pk/k-1  (12)其中,I为单位阵;

步骤4:构建逆向卡尔曼滤波方程,

逆向滤波器的方程式为:

其中,上标箭头←表示逆向处理;与步骤3中变量不变,下标k-1/k为由tk时刻逆向推导出tk-1时刻的对应方程;

步骤5:加权融合过程,

将正向滤波、逆向滤波得到的状态参数估计向量及协方差进行加权平滑,得到平滑状态参数向量及协方差阵,表达式如下:其中,下标s,k表示平滑后的结果。

4.根据权利要求3所述的基于节点信息共享的载机局部姿态精确估计方法,其特征在于:所述的第三部分中,具体过程是,步骤6:对各节点之间进行转换矩阵的计算,

以三个IMU节点i,j,cg为例,选择IMU节点cg的坐标系作为参考坐标系,则IMU节点i,j的角速率相对惯性坐标系矢量在IMU节点主坐标系cg下的投影,以i节点为例,可得出表达式为:

其中,Ω是对应角速率矢量ω的反对称矩阵, 为i系相对于I系的运动角速率在cg系下的投影, 为cg系相对于I系的运动角速率在cg系下的投影, 为i系相对于cg系的运动角速率在cg系下的投影,由于姿态阵微分方程 将方程式(15)改写为:其中, 为cg系至i系的转换矩阵, 为 的导数,由此得到IMU节点i相对IMU节点cg转换阵 的微分方程为:其中, 为i系至cg系的转换矩阵, 为i系相对于I系的运动角速率在i系下的投影,同理,得到IMU节点j相对IMU节点cg转换阵 的微分方程,求解微分方程得到 和则IMU节点i,j之间的动态转换阵表达式为:式中, 为i系至j系的转换矩阵;

步骤7:利用节点之间的信息转换矩阵将其他节点信息转换至各节点,并进行各节点信息的量测融合;

IMU节点i和IMU节点j根据式(18)的旋转矩阵 实现该两个IMU节点间相似状态的相互转换:其中,xl,l=i,j,cg为IMU节点l的待估计加速度或角速度输出, 为步骤6中所求的i节点与j节点之间的转换矩阵;

则IMU节点i的量测方程表达式为:

其中,ml,l=i,j,cg表示l节点吸收其余节点惯性测量信息后,得到l点完整的的惯性测量信息,yl,l=i,j,cg是IMU节点l的加速度或角速度输出值,vl,l=i,j,cg是节点l的观测误差矩阵,Hl,l=i,j,cg是IMU节点l的观测阵;

由最小二乘估计法得到IMU节点l的待估计加速度或角速度 及其估计误差协方差阵Px,l,表达式为:其中,表示对状态量x的估计,R为量测噪声序列的方差阵,Px,l为误差协方差阵,选取最大条件概率密度函数 作为优化指标,得到IMU节点i,j,cg通过量测融合后待估计加速度或角速度xl,l=i,j,cg,表达式为:步骤8:对各节点信息进行状态融合,

在各个节点通过局部卡尔曼滤波器对局部状态进行估计后,设计局部状态融合滤波器,吸收其他节点的局部状态估计,进行各节点姿态信息融合处理,完成局部状态估计的更新,获得导航状态信息的高精度估计。