学习笔记19--定位系统之惯性导航定位

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》，笔者不是自动驾驶领域的专家，只是一个在探索自动驾驶路上的小白，此系列丛书尚未阅读完，也是边阅读边总结边思考，欢迎各位小伙伴，各位大牛们在评论区给出建议，帮笔者这个小白挑出错误，谢谢！
此专栏是关于《自动驾驶技术概览》书籍的笔记。

3.定位系统之惯性导航定位

3.1 惯性导航定位基本概念

惯性是所有质量体本身的基本属性，建立在牛顿定律基础上的惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)(惯导系统)不与外界发生任何光电联系，仅靠系统本身就能对车辆进行连续的三维定位和三维定向；
惯性导航系统是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统；主要由3个模块组成：惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、信号预处理单元、机械力学编排模块；
一个IMU包括：3个相互正交的单轴加速度计(Accelerometer)和3个相互正交的单轴陀螺仪(Gyroscopes)；
信号预处理部分对IMU输出信号进行信号调理、误差补偿，并检查输出量范围等，以使惯性传感器正常工作；

3.2 惯性导航系统原理

基本介绍：

惯性导航系统以陀螺仪和加速度计为敏感元件，应用航迹推算法提供位置、速度和姿态等信息；
汽车行驶数据的采集由以陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元完成；
惯导系统利用载体先前的位置、惯性传感器测量的加速度和角速度来确定当前位置，给定初始条件，加速度经过一次积分得到速度，经过二次积分得到位移；
速度和加速度可以通过对位移的微分得到；v=∫adt；s=∫vdt=∬adtdt；v=dsdt；a=dvdt=d2sdt2v=\int{a}dt；s=\int{v}dt=\iint{a}dtdt；v=\frac{ds}{dt}；a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2s}{dt^2}v=∫adt；s=∫vdt=∬adtdt；v=dtds；a=dtdv=dt2d2s
角速度经过处理后可以得出车辆的俯仰、偏航、滚转等姿态信息(读者可以查阅关于四元数的相关知识)，利用姿态信息可以把导航参数从载体坐标系变换到当地水平坐标系中；

注：读者需要学习关于空间矩阵、欧拉角及四元数相关知识，以及学习欧拉角和四元数之间的相互转换。

小结：
惯性导航系统是一个由惯性传感器和积分器组成的积分系统；该系统通过加速度计测量车辆在惯性参考系中的加速度，通过陀螺仪测量载体旋转运动，可以进行惯性坐标系到导航坐标系的转换，将角速度相对时间进行积分，结合车辆的初始运动状态(速度、位置)，推算出车辆的位置和姿态信息。

3.3 惯性导航系统误差

随机误差
1. 传感器白噪声
  传感器白噪声通常与电子噪声合在一起，可能来自电源、半导体设备内部噪声或数字化过程中的量化误差；
2. 变温误差
  传感器偏差的变温误差类似时变的加性噪声源，由外部环境温度变化或内部热分布变化引起的；
3. 传感器随机游动噪声
  来自速率陀螺仪的"角度随机游动"等同于角速度输出的白噪声；加速度计输出的白噪声积分等同于"速度随机游动"；随机游动噪声随着时间线性增大，功率谱密度以1/f21/f^21/f2下降；
4. 谐波噪声
  由于热量传输延迟，故温度控制方法经常引入循环误差，这些都可在传感器输出中引入谐波噪声，谐波周期取决于设备的尺寸大小；主载体的悬挂和结构共振也引入谐波加速度，会对传感器中的加速度敏感误差源产生影响；
5. 1/f1/f1/f噪声
  这种噪声的功率谱密度以1/f1/f1/f减小，其中fff为频率；该噪声通常模型化为白噪声和随机游动噪声的某种组合；
固定误差
1. 偏差：输入为零时，传感器的任何非零的输出；
2. 尺度因子误差：来自于制造偏差；
3. 非线性：不同程度地存在于多种传感器中；
4. 尺度因子符号不对称性：来自于不匹配的推挽式放大器；
5. 死区误差：由机械静摩擦力或死锁引起；
6. 量化误差：在所有数字系统中固有的，由于它可能存在于标准化环境中，当输入不变时，它的值可能变化；

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