北航惯性导航综合实验三实验报告解读

1惯性导航技术综合实验实验三惯性导航综合实验2实验3.1初始对准实验一、实验目的结合已经采集并标定好的惯性传感器数据进行粗对准，了解实现对准的过程；通过比较不同传感器数据的对准结果，进一步认识惯性传感器性能在导航系统中的重要地位。为在实际工程设计中针对不同应用需求下采取相应的导航系统方案提供依据。二、实验内容利用加速度计输出计算得到系统的初始姿态，利用陀螺输出信号计算航向角。对比利用不同的惯性传感器数据计算所得的不同结果。三、实验系统组成MEMSIMU（或其他类型IMU）、稳压电源、数据采集系统与分析系统。四、实验原理惯导系统在开始进行导航解算之前需要进行初始对准，水平对准的本质是将重力加速度作为对准基准，其对准精度主要取决于两个水平加速度计的精度，加速度计的零位输出将会造成水平对准误差；方位对准最常用的方位是罗经对准，其本质是以地球自转角速度作为对准基准，影响对准精度的主要因素是等效东向陀螺漂移。11()()()sin,()sin()()yxzzanannnanan(1)其中，(),()nn分别为当前时刻的俯仰角和横滚角计算值。水平对准误差和方位对准误差如下所示：yxag，xyag(2)五、实验步骤及结果1、实验步骤：采集静止状态下水平加速度计输出，按下式计算其平均值。()(1)()(1),,2,3,iiiiananananixyznn(3)其中，()ian为前n个加计输出均值；(1)ian为前n-1个加计输出均值；()ian为当前时刻加计输出值。利用加计平均值来计算系统初始俯仰角和横滚角311()()()sin,()sin()()yxzzanannnanan(4)其中，(),()nn分别为当前时刻的俯仰角和横滚角计算值。2、实验结果与分析：2.1、用MIMSIMU的加速度计信息计算（1）俯仰角和横滚角图：02468101214x104-0.200.20.40.60.811.21.41.6俯仰角和横滚角弧度（rad）俯仰角横滚角（2）失准角：=0.0085rad=-0.0084radxssyss2.2、实验结果分析以上计算是基于MIMSIMU静止时data2进行的初始对准，与data2给定的初始姿态角相差不大。六、源程序clearclcg=9.7803267714;a=load('E:\郭凤玲\chushiduizhun\data2.txt');4ax=a(:,4)';ay=a(:,5)';az=a(:,6)';%初始值ax0(1)=ax(1)/1000*g;%%%%转化单位，由mg转化为m/s^2ay0(1)=ay(1)/1000*g;az0(1)=az(1)/1000*g;theta(1)=asin(ay(1)/az(1));gama(1)=-asin(ax(1)/az(1));fori=2:120047ax0(i)=ax0(i-1)+(ax(i)-ax0(i-1))/i;ay0(i)=ay0(i-1)+(ay(i)-ay0(i-1))/i;az0(i)=az0(i-1)+(az(i)-az0(i-1))/i;theta(i)=asin(ay0(i)/az0(i));gama(i)=-asin(ax0(i)/az0(i));enddetfaix=mean(ay0)/g;detfaiy=mean(-ax0)/g;t=1:120047;plot(t,theta,'r',t,gama,'b')title('俯仰角和横滚角');ylabel('弧度（rad）');legend('俯仰角','横滚角')实验3.2惯性导航静态实验一、实验目的1、掌握捷联惯导系统基本工作原理2、掌握捷联惯导系统捷联解算方法3、了解捷联惯导系统误差传递规律和方程二、实验原理捷联惯性导航系统（SINS）的导航解算流程如图1所示。在程序初始化部分，主要是获得SINS的初始姿态阵bnC、初始位置矩阵neC以及初值四元数q；并读取SINS数据更新频率等SINS的工作参数。5加速度计组件陀螺仪组件误差补偿消除有害加速度及速度积分位移角速率计算位移角速率微分方程位置计算姿态计算姿态速率微分方程地球角速率计算nbCbnCbibanibanepVnenneC,Leienieninbinbib,,图1惯性导航原理这里，L、λ分别为当地纬度和经度ψ、θ、γ分别为载体航向、俯仰、横滚角。地理坐标系为东-北-天坐标系。1．姿态计算姿态矩阵为：111213212223313233nbTTTCTTTTTT(1)111213212223313233coscossinsinsincossinsinsincossincoscossincoscossinsincoscossinsinsinsincossincoscoscosTTTTTTTTT(2)位置矩阵为：111213212223313233neCCCCCCCCCC(3)其中：6111213212223313233sincos0sincossinsincoscoscoscossinsinCCCCLCLCLCLCLCL(4)使用姿态四元数来更新姿态。四元数微分方程为：00112233001020bbbnbxnbynbzbbbnbxnbznbybbbnbynbznbxbbbnbznbynbxqqqqqqqq(5)简写为：12qMq(6)其中：bbbbbnnbibinibninCcossintanTnNEEinieieytxtxtVVVLLLRhRhRh211(1sin)xteeLRR211(123sin)yteeeLRR=6378245meR=1/298.3e解四元数微分方程：112341()()()6kkqtqtkkkk(7)式中：1122343[()]()2[()][()]222[()][()]222[()][()]2bnbkkbnbkkbnbkkbnbkkTktqtkTTktqtkTTktqtTktTqtk(8)其中T为导航解算周期。7归一化四元数，有更新后的姿态矩阵：2222012312031302222212030123230122221302230101232()2()2()2()2()2()nbqqqqqqqqqqqqCqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq(9)提取姿态角：2313332122arcsin()arctan(/)arctan(/)TTTTT(10)2．速度计算由下列速度方程进行速度的更新nnnnnnnxibxiezenzieyenyxnnnnnnnyibyiezenziexenxynnnnnnnzibzieyenyiexenxz02(2)0(2)0202(2)0VaVVaVVaVg（11）式中132333eienneeieeieieeieCCCC，tanNytnEenxtExtVRhVRhVLRh(12)速度更新1()()kkVtVtVT&(13)由式（11）求出加速度V，则()()tTtTVVV。在实际程序中，为了进一步提高解算的精度，也可以在姿态阵更新前后分别计算两次加速度V，用梯形法求得速度的更新值。3．位置矩阵更新与位置计算nnneeneCC&(14)式中：8000nnenzenynnnenenzenxnnenyenx(17)解上述微分方程使用如下解法：1()()nnnenkenkenCtCtCT&(15)提取经纬度：13313231sin()tan()LCCC(16)四、主要实验设备①捷联惯性导航实验系统一套；②监控计算机一台。五、实验内容及结果1．MIMSIMU系统导航计算①将IMU固定在夹具上，将IMU连同夹具一起静置于桌面；②调整稳压电源的输出电压为+8V，关闭电源。连接稳压电源与IMU供电输入端，连接IMU信号线与USB-232转接线至监控计算机；③打开监控计算机中的监控软件；④打开捷联惯导实验系统电源，捷联惯导实验系统开始启动；⑤保持捷联惯性导航系统静止600秒，并记录实时输出数据；⑥停止记录数据，利用捷联解算方法计算纯惯性导航误差。MIMSIMU系统纯惯导导航结果：（1）速度误差0100200300400500600700-0.200.20.40.60.811.2时间/秒东向速度米/秒90100200300400500600700-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.5时间/秒北向速度米/秒（2）姿态误差0100200300400500600700-2024681012141618时间/秒俯仰角度100100200300400500600700859095100105110时间/秒偏航角度0100200300400500600700-120-100-80-60-40-200时间/秒滚转角度（2）位置误差110100200300400500600700116.341116.3415116.342116.3425116.343116.3435116.344116.3445116.345116.3455时间/秒经度度010020030040050060070039.97139.97239.97339.97439.97539.97639.97739.978时间/秒纬度度2．中低精度惯性导航系统导航仿真①由实验老师给定一组中低精度IMU的静态IMU采样数据，初始姿态由数据中前300秒的加速度计采样计算得到，初始航向由GPS双天线数据给出；②利用捷联解算方法计算纯惯性导航误差。中低精度惯性导航系统导航仿真结果：（1）位置误差：1200.511.522.533.5x104-0.100.10.2纬度误差0.05s度00.511.522.533.5x104-10-505经度误差0.05s度（2）姿态误差：00.511.522.533.5x104-10010fai误差0.05s度00.511.522.533.5x104-4-20theta误差0.05s度00.511.522.533.5x104-0.200.2gama误差0.05s度（3）速度误差：1300.511.522.533.5x104-1500-1000-5000500Vx0.05sm/s00.511.522.533.5x104-100102030Vy0.05sm/s3．导航仿真结果分析1，MIMSIMU系统的经度误差、fai误差、theta误差、Vx误差大，在调试程序的过程中，选取安装误差阵变化很微小的情况下，姿态误差，速度误差变化很大，说明准确的安装误差补偿阵很重要，上面MIMSIMU的图形是在没有补偿的情况下得到的图形，图形未列出。上面图形是中精度导航系统的误差小，而中低精度导航系统的纬度误差、gama误差、Vy误差比MIMSIMU的误差小。六，实验源程序1，MIMS的静态捷联结算clearall;clc;Q=load('E:\惯性器件综合实验\我的作业\初始对准\data2.txt');%惯性信息F