基于虛擬傳感器和多傳感器融合技術提高無人駕駛車輛導航精度

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基于虛擬傳感器和多傳感器融合技術提高無人駕駛車輛導航精度

自主導航和定位是實現特定環境下無人駕駛車輛行駛的重要條件。目前使用的推算法是通過確定車輛底盤位置來實現自主導航和定位的，除了使用一些車載傳感器外，不需要額外裝置或預定義地圖及其它導航基礎設施。但是，獨立的導航傳感器系統容易積累誤差，使導航精度降低。因此，通過混合來自于不同導航傳感器中各種導航信息，實現各導航傳感器的互補，可以解決上述問題。對此，通過對虛擬傳感器的開發，以及其與多傳感器融合技術的應用，從而提高無人駕駛車輛的導航精度。

對于導航系統，若沒有正確的參考坐標系，所獲得的導航數據也就無意義，則從不同導航傳感器中獲得的數據也不能集成輸出。對導航傳感器的研究使用韓國工業研究所定義的導航系統參考坐標系，X軸向前、Y軸向左、Z軸向上、原點設在導航傳感器的中心。車輛參考坐標系采用美國國家航空航天局定義的參考系，其中X軸向前、Y軸向右、Z軸向下。而導航系統采用地理參考坐標系，X軸向北、Y軸向東、Z軸向下。

最常用的自主導航傳感器是慣性測量單元和全球定位系統。由于車輛行駛過程中無法給全球定位系統提供可靠的信號，因此不能直接將其應用在無人駕駛車輛上，可通過添加輪速傳感器應用在車輛上。為提高導航精度，使用慣性測量單元作為主要的導航傳感器，利用全球定位系統和輪速傳感器來進行補償提高導航精度。采用非完整約束和零速度更新補償降低車輛定位產生的累計誤差，非完整約束指車輛不發生側滑和打滑。車輛在非完整約束下正常行駛時，其速度可看做一個三維矢量，并將其定義為一個虛擬傳感器。另定義車輛零速度更新補償作為另一個虛擬傳感器，當條件為真時，三維速度矢量便是可觀察的，將這些觀測值應用在一個擴展的卡爾曼濾波器上，限制導航系統誤差的增長。其中，擴展卡爾曼濾波融合了慣性測量單元和全球定位系統的數據。針對如何設計非完整約束卡爾曼濾波器進行了詳細的說明，并對多傳感器融合技術進行了詳細介紹。對給出的基于虛擬傳感器和多傳感器融合技術的方法用于實車試驗，并對試驗結果進行分析，驗證了該方法可以有效提高導航精度。

刊名：Journal of Mechanical Science and Technology（英）

刊期：2014年第28期

作者：Muhamad Ilyas

編譯：王維