低成本惯性导航系统
基于低成本传感器的捷联惯性导航系统的设计和描述
前言
惯性导航系统的设计是一件非常复杂的事情，要求在模拟电路设计、信号处理和算法设计等方面有很深的造诣；我不可能在方案中回答所有可能遇到的关于这个课题的所有问题，以下只是一个参考。
物理和数学背景
一个物体的实际空间行为或者运动可以用6个参数描述：三个平动量（x-,y-,z-加速度）和三个回转量组成（x-,y-,z-角速率）。为了能定义物体的运动，三个加速度传感器和三个陀螺必须用这样一种方式一起置于平台上，就是形成一个直角系统。运动距离和物体旋转的实际角度可以通过各个平动量和回转量部件的综合得到。周期性地精确的执行计算使这个理想的系统能够跟踪它的运动以及指示它的当前位置和方向。
六自由度参数:
物体的实际空间行为/运动可以用三个平动量和三个回转量组成.
系统性能的主要局限性在于给定的传感器的精度的有限性.在加速度方面的一个连续的小误差将导致实际速度的很大的误差,一秒的时间内在距离上将产生更大的误差.因此需要非常精密的传感器和误差修正机制(反馈算法)来得到精确的惯性导航平台。作为一个例子,一个简单的反馈算法是G-矢量方法。它不要求附加任何硬件，简单的假定Z-加速度矢量的平均方向指向地球表面以及它的平均值是-9.81m/sec2.另外一个反馈方法是将GPS位置数据传入INS,这种观点要求详细考虑更新机制以便不扰乱整个系统，尤其是在您想控制设备而不是简单的测量他们运动状态的情况下。
需要仔细评估的另一个困难是正确选择所用到的正确的坐标系.有不同的解决方法-他们中的一些带有附加的冗余允许提高精度.
我们选择基于欧拉角的坐标系作为代表。它被定义成三轴：横滚（α），俯仰（β）和方向（γ）。参考惯性系统转换到部件，处理如下：(x"', y"', z"') =(alpha)=> (x", y", z") =(beta)=> (x', y', z') =(gamma)=> (x, y, z) . 
利用欧拉角参考到惯性系统(x,y,z)物体实际空间状态(x"', y"', z"')
基于欧拉角用数学变换参考惯性系统（x,y,z）计算实际的加速度（dx,dy,dz）
基于欧拉角用数学变换参考惯性系统（x,y,z）计算实际的角速率（dα,dβ,dγ）
重要的是：转换实际数据到惯性系统部件上的顺序和是否这角度很大有关系！在您想要允许快角速率运动的情况下，保持足够高的补偿频率是至关重要的。
实现原理
IMU产品是一个精确的低成本的六自由度惯性系统，利用固态MEMS（或者光纤）陀螺和加速度计提供一个完整的姿态角（横滚和俯仰欧拉角）。内部的DSP处理器提供校准后的稳定角速率量，校准后的稳定加速度量，以及横滚和俯仰角的估算。用来计算姿态的算法是一个扩展的卡尔曼滤波轨迹修正方法，用加速度计提供一个姿态参考，以及滤波对于从速率陀螺整合后计算出来的姿态轨迹提供修正。滤波同时也估算陀螺轴偏差，同时算法能在机车运动过程中处理动态情况。在静态情况下，姿态误差大于0.1度。动态情况下，姿态误差不大于1度。
工程目标
我们的任务是基于低成本加速度传感器和陀螺实现便携式捷联惯性导航系统。在该工程中上下文提到的低成本是指传感器的成本不大于4万元。首先我们必须找到一个切实可行的执行概念（尽可能简单、快速、精确），在这之后，我们必须设计和建立完整的包括硬件和软件的系统。
最后，必须能够规定必须能够取得的精度和定位可能存在的技术瓶颈。最终，同时应该有结论和对进一步提高性能指标的展望。
系统结构
基本模型包括一个32位的从一个A/D获取6轴传感器数据的数字信号处理器（DSP）。加速度数据一般是经过IIR滤波处理得来的免除振动影响。温度变化引起传感器的比例因子和轴偏差根据厂商生产过程中的校准表来消除。系统经过串行口（RS232或者RS422）输出校准数据和计算姿态（横滚、俯仰）。结构图中涉及到的具体细节必须详细考虑，必须按照相应的操作规程进行，这样才能充分降低系统误差，提高系统的整体性能。
卡尔曼滤波姿态修正算法
姿态获取算法被分成两个独立的实体。陀螺测量角速率信息被实时的整合到姿态处理器中。如果机车的初始姿态能够被获知，并且陀螺提供完美的数据，那么姿态处理器的结果将完美。但是，初始姿态很少能获知，并且陀螺由于轴漂移和启动的不稳定性常常提供被干扰的数据。陀螺和加速度计都有轴和轴漂移项并且都有未对准误差，加速度误差（g-灵敏度），非线性和比例因子误差。最为典型的最大误差与轴项有关，没有滤波结构，姿态处理器将偏离实际的轨迹。卡尔曼滤波姿态修正部件通过对姿态处理器轨迹和陀螺轴状态特征值修正，提供一个运动过程中的校准。加速度计利用地心引力提供一个姿态参考。
DSP处理器姿态算法提供稳定的欧拉横滚、俯仰角。为了改良精度和避免当处理余玄旋转矩阵异常，四元数公式被用于算法中提供姿态推算。余玄旋转矩阵从四元数种得到，它定义姿态角横滚和俯仰。
系统所用传感器推荐
针对国内一些公司和国外CrossBow公司使用陀螺和加速度计的经验，推荐使用下列陀螺和加速度计：
陀螺：美国BEI公司LCG50
加速度计：待定
系统精度评估
性能
跟新速率：100Hz以上
启动时间（完全达到精度要求）：<60s
动态姿态
横滚角范围：±180°
俯仰角范围：±180°
精度：±1°
分辨率：0.1°
环境
操作温度：-40-+70℃
储存温度：-55-+85℃
防水/湿度：密封封装
最大角速率：±100°或者±250°/s
最大加速度范围：±2，5，10g
电子特性
输入电压：10-35Vdc
功耗：<4w(12Vdc时)
数字输出格式：RS-232(RS422可选)
物理特性
物理尺寸：
连接器：
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