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GNSS/IMU/LiDAR 融合定位研究

刘傲 郭杭 熊剑 王梦莉

刘傲, 郭杭, 熊剑, 王梦莉. GNSS/IMU/LiDAR 融合定位研究[J]. 全球定位系统, 2024, 49(3): 73-79. doi: 10.12265/j.gnss.2024013
引用本文: 刘傲, 郭杭, 熊剑, 王梦莉. GNSS/IMU/LiDAR 融合定位研究[J]. 全球定位系统, 2024, 49(3): 73-79. doi: 10.12265/j.gnss.2024013
LIU Ao, GUO Hang, XIONG Jian, WANG Mengli. GNSS/IMU/LiDAR fusion positioning research[J]. GNSS World of China, 2024, 49(3): 73-79. doi: 10.12265/j.gnss.2024013
Citation: LIU Ao, GUO Hang, XIONG Jian, WANG Mengli. GNSS/IMU/LiDAR fusion positioning research[J]. GNSS World of China, 2024, 49(3): 73-79. doi: 10.12265/j.gnss.2024013

GNSS/IMU/LiDAR 融合定位研究

doi: 10.12265/j.gnss.2024013
基金项目: 国家自然科学基金(41764002,62263023)
详细信息
    作者简介:

    刘傲:(1998—),男,硕士研究生,研究方向为GNSS导航与定位. E-mail: 1045755622@qq.com

    郭杭:(1960—),男,博士生导师,教授,研究方向为GNSS导航与定位. E-mail: hguo@ncu.edu.cn

    熊剑:(1977—),男,研究生导师,副教授,研究方向为组合导航. E-mail: xiongjian@ncu.edu.cn

    通讯作者:

    郭 杭E-mail: guo1_2002@hotmail.com

  • 中图分类号: P228.1;TP79

GNSS/IMU/LiDAR fusion positioning research

  • 摘要: 为提升低成本卫星接收机和惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)条件下传统组合导航定位的抗干扰性和定位精度,本文通过融合GNSS、IMU、激光雷达(laser radar,LiDAR)来提高定位的鲁棒性及定位精度. 在高楼遮挡等复杂环境下由于卫星信号丢失导致卫星定位结果降低,可通过GNSS与IMU的组合来提升导航定位的鲁棒性及其精度. 如果卫星信号缺失时间过长,那么低成本条件下的GNSS/IMU组合定位精度仍不理想,本文提出利用LiDAR里程计输出的位置信息与传统组合导航通过扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)进行融合定位. 实验得出:在无遮挡的环境下融合定位标准差(standard deviation,STD)精度较之卫星定位提升53.7%,均方根误差(root mean square error,RMSE)精度提升56%,较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升37.9%,RMSE精度提升38.6%. 在有遮挡的环境下融合定位STD精度较之卫星定位提升59.4%,RMSE精度提升71.3%,较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升26.3%,RMSE精度提升33.7%.

     

  • 图  1  GNSS和IMU组合导航算法框图

    图  2  多源传感器融合算法框图

    图  3  LiDAR与卫星定位偏差图

    图  4  实验设备安装图

    图  5  位置轨迹解算图

    表  1  产品参数及其数据

    产品 参数 技术数据
    IMU 量程 $ \left(A\right) \pm 2 \pm 16\;\mathrm{g} $
    $ \left(G\right) \pm 125 \pm 2\;000\;\mathrm{d}\mathrm{p}\mathrm{s} $
    零偏 $ \left(A\right) \pm 20\;\mathrm{m}\mathrm{g} $
    $ \left(G\right) \pm 0.5\;\mathrm{d}\mathrm{p}\mathrm{s} $
    灵敏度误差 $ \left(A\right) \pm 0.4 \text{%} $
    $ \left(G\right) \pm 0.4 \text{%} $
    噪声密度 $ \left(A\right) \pm 160\; \text{µ}\mathrm{g}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $
    $ \left(G\right) \pm 0.008\; \mathrm{d}\mathrm{p}\mathrm{s}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $
    卫星接收机 E方向定位精度(SPP) 4.904 6 m
    N方向定位精度(SPP) 6.003 3 m
    U方向定位精度(SPP) 12.939 0 m
    LiDAR 定位精度 2.833 3 m
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    表  2  导航定位坐标解算STD及其精度提升

    环境 实验次序 卫星定位/m GNSS/IMU
    组合定位/m
    GNSS/IMU/LiDAR
    融合定位/m
    精度提升
    (卫星定位)/%
    精度提升
    (组合定位)/%
    无遮挡第一次4.345 13.624 71.982 254.445.3
    第二次4.209 34.236 62.932 530.330.8
    第三次4.479 72.525 01.710 861.832.2
    第四次5.176 83.181 91.806 865.143.2
    平均值4.552 73.392 12.108 153.737.9
    有遮挡第五次8.276 13.606 92.643 768.126.7
    第六次6.775 43.420 42.766 859.219.1
    第七次3.788 43.345 82.237 940.933.1
    平均值6.280 03.457 72.549 559.426.3
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    表  3  导航定位坐标解算RMSE及其精度提升

    环境 实验次序 卫星定位/m GNSS/IMU
    组合定位/m
    GNSS/IMU/LiDAR
    融合定位/m
    精度提升
    (卫星定位)/%
    精度提升
    (组合定位)/%
    无遮挡第一次9.163 44.783 82.522 772.547.3
    第二次6.638 45.086 93.968 840.222.0
    第三次7.198 06.704 74.262 540.836.4
    第四次6.264 24.405 52.123 066.151.8
    平均值7.316 05.245 23.219 356.038.6
    有遮挡第五次14.526 14.456 32.680 181.539.9
    第六次12.223 16.028 34.789 060.820.6
    第七次14.390 77.330 54.341 169.840.8
    平均值13.713 35.938 43.936 771.333.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-18
  • 录用日期:  2024-01-18
  • 网络出版日期:  2024-04-22

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