車載里程儀參數的實時標定方法

郝 磊，楊國梁

（西安飛行自動控制研究所，西安710065）

車載里程儀參數的實時標定方法

郝 磊，楊國梁

（西安飛行自動控制研究所，西安710065）

針對里程儀輸出的速度（或位置增量），其參數標定誤差殘差是影響定位定向系統性能的關鍵因素，傳統里程儀參數標定方法需在行車過程中設置精確標志點，且有行駛路線受限的缺點，因此提出一種基于速度量測的定位定向系統誤差實時估計和補償方法。該方法將里程儀刻度系數誤差、安裝誤差殘差納入狀態變量進行實時估計并補償，將慣性導航系統輸出的速度與里程儀輸出的速度進行對比，構建量測方程。設計跑車試驗對該方法進行驗證，結果表明該車載里程儀參數的實時標定方法，僅需要在里程儀安裝在車輛上后，導航系統做一次正常羅經對準并轉慣性/里程儀組合導航模式，在車輛正常行駛過程中，即可自動標定出里程儀參數誤差，具有自主、靈活簡便、精度高的特點，同時提高了慣性/里程儀組合導航系統定位精度。

組合導航；實時標定；里程儀；捷聯慣導系統

0　引言

車載定位定向系統作為軍隊現代化建設、國民經濟發展的一種重要設備，以其優越的性能，廣泛應用于軍民領域。工程上一般采用慣性導航系統和GPS組成慣性/GPS組合導航系統，以實時精確地提供車輛的位置、速度和姿態信息。雖然GPS精度高，但其信號質量對使用環境要求高，且受制于美國，不能完全依賴。里程儀作為一種測量車輛行駛路程的測量設備，利用其速度輸出作為信息源，與慣性導航系統組成慣性/里程儀組合導航系統，可以有效地抑制慣性導航系統誤差隨時間的積累，提高導航精度。該方法與慣性/ GPS組合導航系統相比，具有不受外界環境干擾，完全自主的優點。

在車載慣性/里程儀組合導航系統中，隨著輪胎溫度、充氣壓力以及表面磨損等因素的影響，里程儀刻度系數會發生較大變化，同時，里程儀安裝在車輛上后，與慣性導航系統之間不可避免地存在安裝誤差。里程儀刻度系數誤差和安裝誤差是制約慣性/里程儀組合導航系統精度的主要因素，必須對其精確標定。

傳統標定方法需要在一段平直路面上，通過差分GPS設置兩個精確標志點，車輛在這兩個標志點之間平穩通過，來完成里程儀參數的標定，標定過程一般耗時較長，而且行駛路面要求平直。針對以上問題，本文提出了一種在無精確標志點的情況下，里程儀參數的快速標定方法，通過將慣性導航系統和里程儀組成的慣性/里程儀組合導航系統，用二者的速度誤差作為量測對里程儀參數進行精確估計，以完成里程儀參數的快速標定，同時提高慣性/里程儀組合導航系統的精度。

1　標定原理與方法

車載慣性導航系統有其運動特殊性，車輛在行駛過程中，由于車輛輪胎始終與地面接觸，這意味著車輛不存在側滑和彈跳情況下車輛的側向速度和垂向速度始終為零?；趹T性/里程儀速度誤差量測的組合導航系統也是在這種假設下進行的。在列寫狀態向量時，將里程儀的刻度系數誤差、與慣導之間的安裝誤差等系統誤差也寫入狀態向量當中，起到實時估計補償作用，提高定位定向系統精度。

1.1坐標系定義

本文定義i系為地心慣性坐標系；e系為地球坐標系；n系為導航坐標系，選為東北天坐標系；b系為SINS載體坐標系，為右前上坐標系；m系為里程儀坐標系，與車體坐標系重合。m系相對于b系存在一定的安裝偏角，即里程儀的安裝偏角α=［αθαγαφ］，分別為俯仰安裝誤差、滾轉安裝誤差與航向安裝誤差。

1.2慣性/里程儀組合導航誤差模型

（1）SINS誤差模型本文認為標定后慣性級（陀螺漂移穩定性約0.01（°）/h）的SINS可以忽略陀螺儀組件的刻度誤差δKG及安裝誤差角δG，即中只考慮陀螺的等效漂移εb中的常值項和測量噪聲項可以忽略加速度計組件的刻度誤差δKA及器件安裝偏差δA，即δfb中只考慮其等效常值偏置和測量噪聲項，則SINS系統的誤差方程如下：

其中，

（2）里程儀速度輸出誤差模型

設里程儀刻度系數為Kod，單位時間內輸出的脈沖數為Nod，則里程儀速度在m系中表示為：

其在SINS系中的投影為：

從式（3）可以看出里程儀輸出速度與橫滾安裝誤差角無關。忽略高度通道后，定位定向系統精度主要受航向安裝誤差影響。忽略俯仰安裝誤差，即假設α=αφ，則里程儀速度輸出在導航系下的投影為：

對式（4）求微分，得里程儀輸出的速度誤差為：

1.3慣性/里程儀組合導航卡爾曼濾波器設計

建立狀態方程與量測方程，利用卡爾曼濾波進行估計，實現對各種誤差的再現估計并進行補償。

（1）狀態方程

根據捷聯慣性導航系統的誤差模型以及里程儀速度輸出的誤差模型，考慮慣性器件誤差為隨機常值與白噪聲之和；里程儀安裝誤差α與刻度系數誤差δKod在初始標定后保持不變，即：

忽略高度通道，取15維SINS/OD組合導航系統的狀態變量：

各狀態變量分別為系統姿態誤差、速度誤差、位置誤差、陀螺漂移、加計零偏、里程儀刻度系數誤差和里程儀安裝誤差；建立組合導航系統狀態方程：

根據式（1）和式（6），狀態矩陣F為：

其中，

ωN、ωU為北向、天向地球自轉角速度；φ、h為當地緯度、高度；VE、VN為東向、北向速度；fE、fN、fU為加計輸出在東北天方向上的投影；C11、C12、C13、 C21、 C22、 C23為捷聯姿態陣中對應的元素。

狀態噪聲矩陣為：

（2）量測方程

如圖1所示的速度量測方案，利用SINS解算得到的姿態矩陣，將 n系下捷聯慣性導航速度矢量與OD速度在n系投影之差作為量測方程，因此所得SINS/OD組合系統誤差模型的狀態矢量中多了OD刻度誤差因數δK^和車載安裝誤差δα。od

圖1　基于速度誤差量測的INS/OD組合導航方案Fig.1 Integrated navigation method of the positioning and orientation base measurement of velocity error

由車載慣性導航系統和里程儀輸出的速度之差構造觀測量，得到組合導航系統的量測方程為：

其中，觀測矩陣為：H=［02×2I2×202×9H2×2］。

由式（1）和式（5）可得：

C11、C12、C21、C22為系統姿態矩陣元素；Nod為里程儀脈沖數；Vod為里程儀速度；Kod=Kod0-其中，Kod為里程儀刻度系數，Kod0為初始里程儀刻度系數，Kod0=πD/N，N為輪胎轉動一周里程儀輸出的脈沖數，D為初始時刻輪胎直徑；Nod為里程儀當前1s內脈沖數增量。

量測噪聲矩陣

其中，σv為速度量測噪聲。

2　仿真結果與分析

2.1仿真條件

系統仿真誤差設為：仿真時間2h，行車路線為直線。陀螺零偏穩定性為0.01（°）/h，角速率隨機游走為 0.001（°）/h，加速度計零偏穩定性100μg，加速度隨機游走系數為10μg/h ；里程儀刻度系數誤差 δKod=0.01% ，速度量化噪聲0.1m/s；初始俯仰、橫滾姿態誤差10′，初始航向誤差40′，初始位置、速度誤差為0。

2.2結果分析

車載定位定向系統在仿真2h內有很好的定位精度，且其定位精度與系統性能表現出良好的長期穩定性：1）如圖2所示，通過標定可以很好地估出里程儀的刻度系數誤差，并保持在 0.12× 10-3，與設置的刻度系數誤差相近，說明本里程儀參數的標定方法可信。2）如圖3所示，水平定位精度優于±50m，且定位誤差穩定在1σ包絡線以內。說明本方法可以提高系統定位精度。

圖2　仿真刻度系數誤差Fig.2 Error of simulation odometer scale factor

圖3　仿真位置誤差Fig.3 Error of simulation position

3　試驗驗證

設計了跑車試驗，來驗證本文所述方法的有效性，該里程儀參數的實時標定方法的流程圖如圖4所示。

跑車實驗平臺采用三菱FREECA改裝車完成，實驗平臺包括捷聯慣導與光電里程儀，其中慣導采用光纖陀螺和石英撓性加計，光纖陀螺漂移小于0.01（°）/h，加計零偏小于1×10-4g。將定位定向導航系統安裝在試驗車上，采用電瓶供電，并用工控機監控導航系統狀態。

跑車試驗先在一段平直路線上進行初始標定，確定初始里程計刻度系數和安裝誤差。我們選擇在西安子午大道上進行初始標定，全段路線長5km，進行5組試驗，標定結果分別為：刻度系數誤差K0=0.012915，安裝誤差α=0.2143，然后通過跑車導航試驗進行刻度誤差與安裝偏角實時修正，進行精標。整個跑車實驗在西寶高速進行，全程大約40km，持續1h。實驗過程中慣導安裝在實驗車上進行初始對準，采集10min靜態數據。試驗中以GPS信息作為基準信息。

在速度誤差為量測的組合導航算法中分別處理考慮里程儀參數誤差以及未考慮里程儀參數誤差的數據，得到如圖5～圖9所示結果。

圖4　里程儀參數實時標定方法流程圖Fig.4 Flow chat of odometer calibration

圖5　行車軌跡Fig.5 Running trace

從圖6、圖7中可以看出，由于跑車路線不同于仿真的理想情況，且真實跑車環境下會出現側滑、跳躍等擾動情況，尤其在轉彎過程中這種情況更為劇烈，以至于出現位置誤差突然變大的情況。在不考慮里程儀參數誤差時經緯度定位誤差最大分別為43m、20m，而考慮里程儀誤差參數并實時估計補償后經緯度定位誤差最大分別為25m、20m。所以慣性/里程儀組合導航系統在考慮里程儀參數誤差時可以提高定位精度，表明該方法有效。其中緯度方向上性能沒有顯著提高是因為載車主要行駛在東西方向，而里程儀參數初始標定時精度相對較高，在載車過程中變化的主要是刻度系數，安裝偏角經過初始補償已經相對穩定，所以參數實時補償過程中主要提升經度方向上的定位精度，緯度方向上定位性能沒有明顯提升。但兩圖對比結果還是表明里程儀參數誤差對定位精度有影響。

從圖8、圖9可以看出，該快速標定方法可以快速實時標定出里程儀刻度系數誤差與安裝偏角誤差，從而為提高系統定位能力提供條件。

圖6　經度誤差曲線Fig.6 Longitude error curve

圖7　緯度誤差曲線Fig.7 Latitude error curve

圖8　刻度系數誤差Fig.8 Error of the odometer scale factor

圖9　安裝偏角誤差Fig.9 Error of the install residuals

為進一步驗證算法的可靠性，在同一路面共進行了7次實驗，表1為另外6次的實驗結果。其中，標定誤差為與載波差分GPS的比對值，D為行車里程，D=40km。

表1　另外六次的實驗結果Table 1 Results of the other six experiments

4　結論

本文提出一種基于SINS/OD速度誤差量測組合的定位定向誤差快速標定方法，通過跑車試驗對該方法進行驗證，得到如下結論：1）采用速度誤差為量測實現SINS/OD組合導航時，將里程儀參數誤差擴維到狀態變量進行實時估計并補償，在車輛正常行駛過程中就可以實現對里程儀參數的精確標定，該方法克服傳統方法耗時長、對行駛路面有限制等缺點，且算法不依賴于外界信息，有較強的抗干擾性和可靠性。2）速度誤差量測組合方法可以有效地抑制位置誤差發散趨勢，提高組合導航系統的定位定向精度。

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A Real-time Calibration for Land Vehicle Odometer Parameter

HAO Lei，YANG Guo-liang
（AVIC Xi'an Flight Automatic Control Research Institute，Xi'an 710065）

The odometer's output is velocity（or position increment），and the odometer calibration residual is the critical factor to determine the performance of the vehicular position and orientation.In traditional way of vehicle odometer calibration，which needs to set up precise land markers and have the limitation of exercising the route.To solve this problem，a real-time error-estimation and compensation method of the positioning and orientation is proposed base measurement of velocity error. This method thinks about the error of the odometer scale factor and the install residuals.Two kinds of velocity which come from the inertial navigation system and the odometer's output respectively are used to construct the measurement equation.Accomplishing a car test to verify the feasibility of this method，and the results show that：After the car odometer is installed into a vehicle，a normal compass alignment and turn inertia/odometer integrated navigation mode only need to be done by the navigation system.During the state of normal running，OD scale factor and install residuals could be demarcated automatically.The new method has the features of autonomy，flexibility and convenience，high precision.It can be applied to odometer parameter real-time calibration，also improving the precising of inertia/odometer integrated navigation system.

integrated navigation system；real-time calibration；odometer；SINS

TN967.1

A

1674-5558（2016）02-01212

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.010

2015-12-02

郝磊，男，碩士，研究方向為導航、制導與控制。