本发明专利技术公开了一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置及方法，该装置包含单轴陀螺仪、倾角仪、里程计、空间投影变换模块、航位推算模块和卡尔曼滤波模块；单轴陀螺仪与倾角仪安装在同一载体平面，单轴陀螺仪提供自身转动的角速率，倾角仪提供俯仰角，通过空间投影变换算法，将陀螺仪在斜面上的转动角速率投影为水平面上的角速率。同时，将里程计提供的行进距离投影为平面距离；再利用航位推算算法，根据初始点的位置坐标及方位角，推算出当前坐标及方位角。本发明专利技术的优点是：系统结构简单，算法简洁，实现了在无GNSS信号时的导航定位；同时，在达到一定精度的情况下降低了装备成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及组合导航系统及方法，特别地，涉及一种综合利用单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置及方法。
技术介绍
常规的车辆等载体定位通常采用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)卫星导航定位，在地面上这种方式能够取得很好的结果。但是在洞穴、巷道、地下采空区等环境中，无法接收到GNSS卫星信号时，通常会采用惯导导航方式。常规的惯导系统需要三轴陀螺仪、加速度计等设备实现定位，但是机械陀螺仪精度较低，三轴光纤陀螺仪价格昂贵，基本上价格是单轴光纤陀螺仪的三倍左右。中国专利CN201210096869.1，单轴陀螺仪和单轴加速度计的车载组合导航系统及方法公开的定位系统包括GNSS模块、单轴陀螺仪传感器、单轴加速度计传感器、DR模块、逻辑控制模块和卡尔曼滤波器，在GNSS信号有效时，GNSS模块与DR模块协同定位；当GNSS信号无效时，DR模块单独导航，算法非常复杂。中国专利CN20061011810209，利用GPS与陀螺仪、里程计的组合定位装置在GPS信号良好时，利用GPS信号进行定位，在GPS信号丢失时，切换至MEMS陀螺仪、里程计定位。中国专利CN201520358904.1，基于加速度计和陀螺仪的起重机运行行程和偏斜监测装置在采用三轴加速度传感器采集线性加速度信号，用MEMS三轴陀螺仪采集起重机运行偏斜的角速度信号；再对采集数值进行处理后，转化为相应的位移变化量和角速度值。因此，为了在达到一定精度要求下尽可能的减少生产成本，市场需要一种在无法接收到GNSS卫星信号的情况下，成本更低且能满足低速运动载体的定位需求的导航设备。专利技术专利内容为了实现无GNSS信号时车辆载体等的导航定位，本专利技术提出了一种综合利用单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置及方法，该方法算法简单，设备成本相对较低，能够满足低速运动载体的定位需求。按照本专利技术提供的技术方案，一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，包括水平面角速度计算模块1、航位推算模块2、里程计3、起始点坐标及方位角模块4、卡尔曼滤波器5；所述水平面角速率计算模块1包括单轴陀螺仪11、倾角仪12、空间投影变换模块13；空间投影变换模块13获取单轴陀螺仪11在任意平面上测得的单位时间内的旋转角度和倾角仪12测得的俯仰角，获得水平面上单位时间内旋转的角度；所述空间投影变换模块13、所述起始点坐标及方位角模块4、所述里程计3均与航位推算模块2连接；航位推算模块2利用水平面角速率计算模块1获得的单位时间内水平面内旋转的角度、里程计3提供的里程信息以及起始点坐标及方位角模块4提供的起始点坐标及方位角，推算出当前点的位置坐标；所述航位推算模块2与所述卡尔曼滤波器5连接。优选的：所述单轴陀螺仪11为单轴光纤陀螺仪。优选的：卡尔曼滤波器5对计算出的位置坐标进行平滑。优选的：单轴陀螺仪11、倾角仪12安装在某一载体的平面上，且倾角仪的俯仰角转动轴垂直于载体纵轴线。本申请还公开了利用上述的组合导航装置的组合导航方法，包括步骤：空间投影变换模块13获取单轴陀螺仪11在任意平面上测得的单位时间内的旋转角度和倾角仪12测得的俯仰角，获得水平面上单位时间内旋转的角度；航位推算模块2利用水平面角速率计算模块1获得的单位时间内水平面内旋转的角度、里程计3提供的里程信息以及起始点坐标及方位角模块4提供的起始点坐标及方位角，推算出当前点的位置坐标。本申请综合利用单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置包括单轴陀螺仪、倾角仪、里程计、空间投影变换、航位推算、卡尔曼滤波器等。单轴陀螺仪、倾角仪安装在车辆载体的某一水平面上，随载体做刚性运动。且倾角仪俯仰角的旋转轴垂直于载体平面的纵轴。里程计提供车辆的里程信息，即相对于初始位置行进了多少距离。车辆载体作低速运动，无论是直线运动还是曲线运动，在足够小的时间间隔内行进路线均可以视为直线。单轴陀螺仪测量载体平面在该时间间隔内转过的角度，倾角仪提供载体的某一时刻的俯仰角。本方案综合利用单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航方法步骤如下：第一步：获取前一时刻记录的载体俯仰角α1和里程信息S1。第二步：获取当前时刻记录的载体俯仰角α2和里程信息S2。第三步：通过单轴陀螺仪，获取时间间隔内载体平面转动的角度ω。通过空间投影变换，将载体在任意斜面转动的角度ω投影在水平面上，得到角度θ。 c o s θ = - sinα 1 sinα 2 + c o s ω cosα 1 cosα 2 ]]>第四步：起始点平面坐标为(x0,y0,h0)，起始方位角为A0。可获得当前点坐标(x1,y1,h1)及方位角A1为：A1＝A0+θx1＝x0+S*Cosα2Cos A1y1＝y0+S*Cosα2Sin A1h1＝h0+S*Sinα2第五步：重复上述步骤，不断获取载体的位置坐标及方位角。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：充分利用精度高的光纤陀螺仪，从而可以获得相对准确的设备水平姿态变化值，同时，利用倾角仪和里程计辅助，在没有GNSS卫星信号的情况下，准确获得当前位置坐标。整个算法相对简单，相应的设备造价相对较低。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术专利的进一步理解，本专利技术专利的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术专利，并不构成对本专利技术专利的不当限定。在附图中：图1是本专利技术申请的整体结构示意图；图2是本专利技术申请的倾角仪俯仰角方向示意图；图3是本专利技术公式推导过程中使用的示意图；图4是图3的右视图；图5是圆形切割成多边形的示意图；图6是运动载体的轨迹示意图；图7是运动载体的方向变化示意图；其中，1、水平面角速度计算模块，11、单轴陀螺仪，12、倾角仪，13、空间投影变换模块，2、航位推算模块，3、里程计，4、起始点坐标及方位角模块，5、卡尔曼滤波器；6、运动载体，7、车轮。具体实施方式以下结合附图对本专利技术专利的实施例进行详细说明，但是本专利技术专利可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1：一种综合利用单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，包括水平面角速度计算模块1、航位推算模块2、里程计3、起始点坐标及方位角模块4、卡尔曼滤波器5。水平面角速率计算模块1包括单轴陀螺仪11、倾角仪12、空间投影变换模块13；空间投影变换模块13获取单 轴陀螺仪11在任意平面上测得的单位时间内的旋转角度和倾角仪12测得的俯仰角，获得水平面上单位时间内旋转的角度。空间投影变换模块13、所述起始点坐标及方位角模块4、所述里程计3均与航位推算模块2连接；航位推算模块2利用水平面角速率计算模块1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：包括水平面角速度计算模块(1)、航位推算模块(2)、里程计(3)、起始点坐标及方位角模块(4)、卡尔曼滤波器(5)；所述水平面角速率计算模块(1)包括单轴陀螺仪(11)、倾角仪(12)、空间投影变换模块(13)；空间投影变换模块(13)获取单轴陀螺仪(11)在任意平面上测得的单位时间内的旋转角度和倾角仪(12)测得的俯仰角，获得水平面上单位时间内旋转的角度；所述空间投影变换模块(13)、所述起始点坐标及方位角模块(4)、所述里程计(3)均与航位推算模块(2)连接；航位推算模块(2)利用水平面角速率计算模块(1)获得的单位时间内水平面内旋转的角度、里程计(3)提供的里程信息以及起始点坐标及方位角模块(4)提供的起始点坐标及方位角，推算出当前点的位置坐标；所述航位推算模块(2)与所述卡尔曼滤波器(5)连接。
【技术特征摘要】
1.一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：包括水平面角速度计算模块(1)、航位推算模块(2)、里程计(3)、起始点坐标及方位角模块(4)、卡尔曼滤波器(5)；所述水平面角速率计算模块(1)包括单轴陀螺仪(11)、倾角仪(12)、空间投影变换模块(13)；空间投影变换模块(13)获取单轴陀螺仪(11)在任意平面上测得的单位时间内的旋转角度和倾角仪(12)测得的俯仰角，获得水平面上单位时间内旋转的角度；所述空间投影变换模块(13)、所述起始点坐标及方位角模块(4)、所述里程计(3)均与航位推算模块(2)连接；航位推算模块(2)利用水平面角速率计算模块(1)获得的单位时间内水平面内旋转的角度、里程计(3)提供的里程信息以及起始点坐标及方位角模块(4)提供的起始点坐标及方位角，推算出当前点的位置坐标；所述航位推算模块(2)与所述卡尔曼滤波器(5)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：所述单轴陀螺仪(11)为单轴光纤陀螺仪。3.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：卡尔曼滤波器(5)对计算出的位置坐标进行平滑。4.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：单轴陀螺仪(11)、倾角仪(12)安装在某一载体的平面上，且倾角仪的俯仰角转动轴垂直于载体纵轴线。5.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺仪、倾角仪和里程计的组合导航装置，其特征在于：载体运动过程中，单轴陀螺仪(...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢翔，杜年春，金俊，
申请(专利权)人：中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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