۱۸۴۱۰پ
per
طراحی و پیاده‌سازی الگوریتم جامع ناوبری INS/GPS همراه با همترازی و اتوکالیبراسیون واحد اندازه‌گیری اینرسی
/حسین نورمحمدی
تبریز
، ۱۳۹۶
، افشاری
چاپی
دکتری
۱۳۹۶/۰۶/۲۰
تبریز
پیدایش حسگرهای اینرسی ارزان‌قیمت میکروالکترومکانیکی منجر به تحولات قابل ملاحظه‌ای در سامانه‌های ناوبری اینرسی (INS) شده است .اما چالش اساسی این سامانه‌های ناوبری، وجود خطاهای اجتناب ناپذیر در حسگرهای اینرسی است که موجب رشد سریع خطای ناوبری با گذشت زمان می‌شود .به دلیل دقت پایین و خطای پایداری بایاس بالا در حسگرهای اینرسی میکروالکترومکانیکی، لازم است از روش‌های خاصی برای تلفیق سامانه‌ی ناوبری اینرسی ارزان‌قیمت با سامانه‌ی موقعیت‌یابی جهانی(GPS) ، به ویژه در ناوبری‌های بلندمدت استفاده شود .در این رساله، به طراحی و پیاده‌سازی یک الگوریتم جامع برای سامانه‌ی ناوبری اینرسی تلفیقی INS/GPS پرداخته می‌شود .فیلتر تخمین حالت و پیکربندی تلفیق دو مسأله‌ی کلیدی در سامانه‌های ناوبری اینرسی تلفیقی هستند .دو پیکربندی کاربردی که در این رساله تلفیق مرکزی غیرمستقیم و تلفیق غیرمرکزی مستقیم نامگذاری می‌شوند، برای سامانه‌ی INS/GPS ارائه می‌شوند و مورد مقایسه و ارزیابی کامل قرار می‌گیرند .به منظور بهبود دقت تخمین و کنترل خطای بلندمدت ناوبری اینرسی در تلفیق غیرمرکزی مستقیم، فیلتر غیرخطی مناسب تحت عنوان فیلتر کالمن مکعبی فاکتوریزه شده به روش QR طراحی و پیاده‌سازی می‌شود .همترازی دقیق و اتوکالیبراسیون حسگرهای اینرسی از مسائل بسیار مهم در سامانه‌ی ناوبری اینرسی هستند که در این رساله توجه زیادی به آنها خواهد شد .با بکارگیری معادلات عمومی خطای ناوبری اینرسی در فیلتر تخمین‌زن، الگوریتمی کامل برای همترازی در حین حرکت و اتوکالیبراسیون حسگرهای اینرسی ارائه می‌شود .به منظور بهبود دقت تخمین وضعیت) زوایای تراز و سمت از شمال (در سامانه‌های INS/GPS کلاسیک، الگوریتم تلفیق تطبیقی فازی طراحی می‌شود .فلسفه‌ی اصلی الگوریتم تطبیقی فازی پیشنهادی، عملکرد مناسب الگوریتم تخمین سمت و تراز (AHRS) در حرکت‌های با شتاب پایین و برعکس عملکرد ضعیف آن در حرکت‌های با شتاب بالا است .در الگوریتم تلفیق تطبیقی فازی، با آنالیز سطح مانور حرکتی، از زوایای تراز جاذبه‌ای به صورت هوشمند برای بهبود دقت تخمین وضعیت در سامانه‌ی INS/GPS استفاده می‌شود .از چالش‌های اساسی دیگر در سامانه‌هایINS/GPS ، عملکرد و اعتمادپذیری سیستم در زمان‌های قطع داده‌برداری از سامانه‌ی GPS است .بر اساس قیود حرکتی سرعت در سامانه‌ی مورد ناوبری، الگوریتمی تحت عنوان الگوریتم کمکی بروز رسانی سرعت برای بهبود دقت ناوبری در سامانه‌ی INS/GPS در زمان‌های قطع داده‌برداری GPS ارائه می‌شود .دقت و عملکرد الگوریتم‌های تلفیق پیشنهادی برای سامانه‌های ارزان‌قیمت INS/GPS با پیاده‌سازی در تست‌های میدانی هوایی و خودرویی مورد ارزیابی قرار می‌گیرند
Advent of low-cost micro-electro mechanical system (MEMS)-based inertial sensors brings about revolutionary changes in strap-down inertial navigation systems (INS). Inevitable measurement error in the MEMS-grade inertial sensors which causes large time-growing navigation error is the main challenge of the low-cost INS. Due to weak stand-alone accuracy as well as poor bias stability of MEMS-based inertial sensors, special approaches are required to integrate low-cost strap-down INS with global positioning system (GPS), particularly in long-term applications. This thesis aims to design and implement a comprehensive algorithm for integrated INS/GPS system. State estimation algorithms for data fusion and integration mechanization are two key parts in developing an INS/GPS system. Two applied configurations, called in the thesis as indirect centralized (IC) and direct decentralized (DD) integration, are proposed for INS/GPS system and a detailed comparative evaluation of the proposed schemes is provided. To enhance the estimation accuracy and control the long-term navigation error in the direct decentralized integration, appropriate nonlinear filter, called as QR-factorized cubature Kalman filter is designed and implemented. Accurate alignment and IMU auto-calibration, play an important role in the strap-down inertial navigation system. Based on using general equations of INS error dynamics in the estimation filter, an applied integration scheme is presented for in-motion alignment an auto-calibration of inertial sensors. To enhance the Orientation estimation accuracy of conventional INS/GPS navigation systems, a fuzzy adaptive integration scheme is presented. The main concept behind the proposed adaptive integration scheme is the good performance of attitude-heading reference system (AHRS) in low-accelerated motions and its degradation in maneuvered or accelerated motions. Depending on vehicle maneuvers, gravity-based attitude angles can be intelligently utilized to improve orientation estimation in the INS/GPS system. One of the main challenges in the low-cost INS/GPS is the system performance and reliability during GPS signal blockage. Based on motion's velocity constraints, auxiliary velocity-update (AVU) approach is proposed to enhance the navigation accuracy during GPS outages. The accuracy and performance of the proposed integration algorithms for low-cost INS/GPS systems are assessed through vehicular and flight field tests
نورمحمدی، حسین
کیقبادی، جعفر، استاد راهنما
بادامچی‌زاده، محمد علی، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
