摘 要

随着物流等行业的快速发展，AGV小车越来越受到企业的青睐。为了进一步地节省人工成本和管理成本，企业对智能自动导引小车的功能也提出了更高的要求，特别是导航的精度方面。本文基于惯性传感器，分析惯性导航的基本原理并设计相关算法，实现小车自动导航。

捷联式惯性导航系统的惯性元件直接安装在运动载体上，这就提出了有别于平台式惯性导航系统的软件及算法设计的特殊要求。针对惯性元件的输出，论述了适用于姿态解算的导航算法的基本理论，包括四元素法、方向余弦法、欧拉角法，同时对各算法的优劣性进行了比较；阐述了惯性导航中常用的坐标系及其之间的转换关系，并在东-北-天导航坐标系的基础上，推到了姿态更新、速度更新和位置更新的迭代算法过程，同时亦分析了惯性导航中的误差来源。

利用Matlab仿真软件建立了捷联式惯性导航算法的仿真模型，对导航算法算法进行了仿真和改善，验证算法的可行性和精确度。

关键词: 捷联式惯性导航；四元素法；卡尔曼滤波；仿真

Abstract

With the rapid development of logistics and other industries, AGV receives enterprise’s favor more and more. In order to further save labor costs and management costs, the enterprise demands higher requirements for the function of the intelligent automatic guided vehicle, especially in terms of navigation precision. Based on the inertial sensor, this paper analyzes the basic principle of inertial navigation and designs the related algorithms to realize the automatic navigation of the car.

The inertial component of the strapdown inertial navigation system are installed directly on the motion carrier, which raises the special requirements for software and algorithm design, which is different from the platform inertial navigation system. According to the output of the inertial component, the basic theory of navigation algorithm for attitude estimation is discussed, including four element method, direction cosine method, Euler angle method, and at the same time, the merits and demerits of each algorithm are compared. The paper describes the conversion and the relationship between the coordinates used in inertial navigation, and based on the ENU navigation coordinates, pushed to the attitude updating, speed updating and position updating iterative algorithm principle, and also analyzes the sources of error in inertial navigation.

The simulation model of strapdown inertial navigation algorithm is established by using Matlab simulation software, and the navigation algorithm is simulated and improved to verify the feasibility and accuracy of the algorithm.

Key: Strapdown Inertial Navigation(SINS); Four Element Method; Kalman Filtering; Simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容和意义 3

第2章 惯性导航算法基本理论 4

2.1 惯性导航基本原理 4

2.2 惯性导航中的坐标系及其变换 4

2.2.1 惯性导航系统常用坐标系 5

2.2.2 惯性导航系统常用坐标系转换关系 6

2.3 惯性导航姿态解算算法综述 8

2.3.1 姿态更新算法分类 8

2.3.2 姿态更新算法比较 10

2.3.3 四元素姿态解算算法 11

2.4 本章小结 12

第3章 导航数字迭代算法 13

3.1 地球的模型 13

3.1.1 地球的形状描述 13

3.1.2 垂线和纬度的定义 14

3.2 捷联惯性导航数字迭代算法 14

3.2.1 捷联惯性导航算法的微分方程组 14

3.2.2 姿态更新算法 16

3.2.3 速度更新算法 17

3.2.4 位置更新算法 18

3.3 卡尔曼滤波算法 18

3.4 捷联惯性导航系统误差分析 20

3.5 本章小结 21

第4章 捷联惯性导航系统算法数学仿真 22

4.1 仿真软件 22

4.2 惯性导航算法数学仿真分析 22

4.2.1 初始对准仿真 22

4.2.2 卡尔曼滤波算法定位仿真 24

4.3 本章小结 26

第5章 环境影响及经济性分析 27

5.1 环境影响分析 27

5.2 经济性分析 27

第6章 总结与展望 29

参考文献 30

附录A 32

附录B 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究的背景和意义

为推动工业转型升级、加快制造强国建设、打造国家制造优势，改善人民生活水平，我国正在大力发展机器人产业，并且近年来我国机器人的需求呈现出井喷的态势，逐步超越欧美等国成为全球第一大机器人市场。自动导引小车（Automated Guided Vehicle，AGV）作为机器人领域最柔性的自动化装配及搬运设备，也越来越受到各行业的青睐。

以智能工厂、智能生产以及智能物流为代表的“工业4.0”及“中国制造2025”概念的提出，激发了市场对于AGV产品的需求，再加上国家层面出台的《工业和信息化部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》等相关政策不断推进落实，使2016年的AGV市场实现了火热发展的状态^[1]。