融合惯导和GPS定位的智能头盔设计开题报告

2020-05-02 17:08:12

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着导航定位功能在手机中的普及和基于位置服务 lbs（location-based service）的蓬勃发展，对行人导航定位技术准确性、可靠性和连续性的要求日益迫切。然而，作为目前行人导航领域的重要定位手段，美国全球定位系统 gps（global positioning system）在城市峡谷和室内等复杂环境中因为信号的衰减、干扰和遮挡等，接收机定位精度很差甚至无法定位，而此类环境恰好是个人用户的主要活动区域。为了获得连续的导航定位结果，一般会借助于其它定位增强技术，如自包含传感器、无线局域网 wlan（wireless local area network）、移动蜂窝网络、射频识别 rfid（radio frequency identification）、伪卫星等。而本文将采用惯性导航的方法解决此类问题。

惯性导航是一门涉及精密机械、计算机技术、微电子、光学、自动控制、材料等多种学科和领域
的综合技术应用需求的增长是导航技术拓展新方向的源动力，现代科技的蓬勃发展支撑着惯性传感器技术的不断进步，推动着惯性导航技术应用于更宽广的领域。由于陀螺仪是惯性导航的核心部件，因此，可以按各种类型陀螺出现的先后、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，将惯性技术的发展划分为四代。
第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理论基础；到1852年，傅科（leon foucault）提出陀螺的定义、原理及应用设想；再到1908年由安修（hermann anschütz -kaempfe）研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，以及1910年的舒勒（max schuler）调谐原理；第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。
第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯
性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国v-ii火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0.5n mile/h
的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0.005o/h的g6b4型动压陀螺研
制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器－加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表
支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术
的出现为今后激光陀螺（rlg）的发展提供了理论支持；捷联惯性导航（sins）理论研究趋于完善。
70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统（ins），其研究目标是进一步提高ins的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺（esg）、动力调谐陀螺（dtg）、环形激光陀螺（rlg）、干涉式光纤陀螺ifog等。esg的漂移可达10-4o/h；dtg的体积小、结构简单，随机漂移可达0.01 o/h量级；基于sagnac干涉效应的rlg和捷联式激光陀螺惯导系统（sins）在民航方面得到应用，导航精度可达0.1n mile/h。除此之外，超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等基于不同物体原理的陀螺仪表相继设计成功。80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机（mems）开始出现。
当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数
字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6o/h；另一方
面，随着rlg、fog、mems等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进
步，sins在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。

惯性导航是一种完全自主的导航方法，依赖自身设备自主地完成导航任务，不与外界发生任何光电联系，而且工作不受气象条件的限制，被广泛用于航天、航空等领域。惯性导航不依赖任何外部信息，也不向外辐射能量，并且能提供位置，速度，航向和姿态角等数据，所产生的导航信息连续性好，噪声低。惯性导航技术将在未来导航定位系统中扮演重要角色。

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2. 研究的基本内容与方案

本次论文的目的是，设计一个当gps信号中断时，仍然能在不依靠外界信息的情况下，自主完成任务的定位与导航装置，本设计将可适用于野外以及其他gps信号可能出现丢失，衰减的工作场合。

本设计将采用惯性导航的技术，设计融合惯导和gps定位的智能头盔。在常规工作时间时，装置将采用gps定位，而在没有gps的场合，惯导定位可以发挥重要作用。本研究将把两者融合到一起，使之起到更好的定位效果。

惯性导航是一种完全自主的导航方法，依赖自身设备自主地完成导航任务，不与外界发生任何光电联系，而且工作不受气象条件的限制，被广泛用于航天、航空等领域。其理论基础为牛顿力学基本定律，技术手段是利用加速度计测出装置相对导航坐标系（如地理坐标系）的运动加速度，经过两次积分得到经过的距离，从而确定装置所在的位置。在本设计中，智能头盔通过gps获得定位获得初始坐标信息，当gps信号中断时，通过头盔上装配的运动传感器测出运动加速度，再通过积分运算获得智能头盔实时与初始位置之间的相对位移。进而获得实时位置。

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3. 研究计划与安排

完成任务的时间节点：
第1~2周：翻译外文资料，初步确定方案；
第3周：确定最终方案，进行可行性分析，完成开题报告；
第4~6周：做中期报告，完成系统整体设计；
第7~9周：硬件设计及程序代码的编制；
第10~12周：综合调试，根据结果完善系统；
第13~14周：撰写论文；
第15~16周：论文装订、评阅，论文答辩。