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研究生:洪兆宇
研究生(外文):Hung, Chao-Yu
論文名稱:六加速儀機制模組設計及導航應用之研究
論文名稱(外文):The Research of Design and Application for Six-Accelerometer INS
指導教授:李守誠李守誠引用關係
指導教授(外文):Lee, Sou-Chen
學位類別:博士
校院名稱:國防大學中正理工學院
系所名稱:國防科學研究所
學門:軍警國防安全學門
學類:軍事學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:慣性導航系統原始偏差比例因子校準
外文關鍵詞:INSBiasScale FactorCalibration
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六加速儀慣性導航系統(Six-Accelerometer INS)可用以取代傳統INS,執行導航功能。然受原始偏差(Bias)、比例因子(Scale Factor)、安裝誤差(Misalignment)等系統誤差(System Error)影響,其導航誤差對於時間敏感;本文提出兩種改善誤差方法,第一,經由實驗室校準(Calibration),可獲得慣性導航系統誤差參數,經適當之誤差補償(Compensation)後,可降低系統誤差影響;第二,整合慣性導航系統與全球定位系統(GPS),可將導航誤差限制於一定範圍內。本文研究一種固裝式六加速儀慣性導航系統,及改善導航系統誤差;主要研究主題有五,第一,對六加速儀機制之慣性導航系統,修正基本動態方程式理論,考量姿態及重力場效應影響,推導六加速儀導航方程式,以符合實際導航需求。第二,依據六加速儀理論,實際設計、製作一組六加速儀導航之系統硬品。第三,提出一種六加速儀校準方法,以求得此慣性組件加速儀安裝之方向及位置誤差、加速儀的偏差量及比例因子等。第四,設計六加速儀慣性導航系統誤差補償器,補償系統誤差。第五,整合六加速儀慣性導航系統及GPS,對載具運動狀態進行估測(Estimation)與修正。經由硬品製作、數值模擬及實驗結果,可大幅改善系統導航精度,未來可應用於自動駕駛及無人飛行載具導航上。
The six-accelerometer INS without gyroscope can replace the traditional INS to measure a vehicle’s velocity and position. Because of system error, the sensor’s bias, scale factor and misalignment, the navigation error of six-accelerometer INS is deeply affected by the time influence. There are two methods to enhance the precision of navigation in this paper. One is to determine the system error parameters using proposed calibration method and then compensating the system errors. Another is to integrate the INS and GPS, thus the navigation error will be bound in a small range. In this manuscript a strap-down six-accelerometer INS is studied to enhance the navigation precision. There are five important issues for research. The first is to modify the original Chen’s strap-down six-accelerometer dynamic equation to six-accelerometer navigation equation which considers the effects of attitude and gravity. The second is to design and manufactures a six-accelerometer INS according to six-accelerometer model. The third is to develop a novel calibration method for six-accelerometer INS. The novel calibration method can determine misalignments, biases and scale factors of six accelerometers. The fourth is to design a six-accelerometer INS compensator which can compensate the system error. The fifth is to integrate six-accelerometer INS and GPS and estimate the exercise states of a vehicle. After hardware realization and simulation the superior results are found that the proposed calibration and the integrated six-accelerometer INS/GPS can enhance the accuracy of navigation. It can apply in auto-pilot and UAV design for the future application.
誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iiv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ixx
符號說明與縮寫 xi
1. 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 3
2. 基本理論 4
2.1六加速儀動態方程式 4
2.2卡曼濾波器 8
3. 六加速儀導航方程式 11
3.1姿態方程式 11
3.2位置方程式 12
3.3速度方程式 13
3.4角速度方程式 15
3.5六加速儀導航流程 15
3.6六加速儀INS導航模擬 16
3.7六加速儀INS導航模擬結果與討論 19
4. 六加速儀INS之實現 20
4.1慣性量測單元 21
4.2電子單元 25
4.3計算單元 26
4.4六加速儀INS設計 26
5. 六加速儀慣性量測單元校準方法 29
5.1方向誤差校準 29
5.1.1 組加速儀方向誤差校準 30
5.1.2 組加速儀方向誤差校準 36
5.2位置誤差校準 41
5.3校準方法模擬 49
5.4校準方法模擬結果與討論 54
6. 六加速儀INS誤差補償設計 56
6.1六加速儀實際量測值 56
6.2位置誤差補償 58
6.3方向誤差補償 59
6.4系統誤差補償方法模擬 60
6.5系統誤差補償方法模擬結果與討論 64
7. 六加速儀誤差方程式 65
7.1姿態誤差方程式 65
7.2位置誤差方程式 67
7.3速度誤差方程式 68
7.4角速度誤差方程式 69
7.5六加速儀誤差狀態方程式 69
8. 六加速儀INS/GPS整合之研究 71
8.1六加速儀INS/GPS整合架構 71
8.2六加速儀INS/GPS模擬驗證 74
8.3六加速儀INS/GPS模擬結果與討論 79
9. 結論與未來研究方向 80
參考文獻 82
論文著作 84
自傳 85
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