城市环境下车载GNSS/INS/LiDAR融合精密定位方法研究

作     者：祝浩祈 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王甫红

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：车载导航 多源融合定位 载波相位时间差分 激光惯性里程计 城市环境 

摘      要：随着自动驾驶汽车、无人快递配送车等智能化载体的广泛应用,车辆对高精度位置信息的需求在日益增大。城市开阔环境下,GNSS/INS组合导航系统可以提供连续可靠的高精度位置信息,在车载导航定位中应用广泛。但MEMS IMU零偏误差和测量噪声较大,当车辆较长时间处于严重遮挡环境下时,GNSS可用性下降,INS推算误差会快速累积,而此时环境特征往往较为丰富,激光惯性里程计可以实现较好的定位精度。GNSS、MEMS IMU、LiDAR传感器有较强的优势互补性,多源融合定位是实现城市环境下车辆连续高精度定位的有效方案。基于此,本文开展了GNSS、MEMS IMU、LiDAR多源融合定位技术研究,主要工作如下:(1)针对城市环境下GNSS信号遮挡严重和MEMS IMU误差快速累积导致GNSS/INS组合导航精度下降的问题,提出了RTK+TDCP/INS组合定位方法。在开阔环境下,使用固定模糊度的RTK与INS紧组合;当卫星信号遮挡严重导致RTK解算失败时,使用INS先验信息辅助TDCP解算,若TDCP解算成功,使用TDCP观测值与INS紧组合以维持系统短期内较高的精度;若TDCP解算失败,采用NHC/INS推算。车载试验结果表明,在除了隧道和高架桥下等卫星信号完全遮挡的环境外,INS辅助的TDCP解算成功率接近90%,在RTK解算失败的连续时间小于45s的复杂环境下,TDCP/INS组合定位的平面和高程误差RMS分别为0.30m、0.21m,最大误差分别为0.69m、0.72m,可以实现分米级的定位精度。(2)设计并实现了INS辅助的激光里程计算法,前端利用INS机械编排的先验位姿为点云匹配提供初值,同时采用帧-局部地图匹配的方式以充分利用历史帧的信息,提高匹配的精度;后端使用扩展卡尔曼滤波实现激光里程计与INS结果的融合。车载试验结果表明,在行驶里程小于1.6km的环境下,LIO的平面误差RMS小于4.0m,进一步增加非完整性约束(NHC),可以提升LIO高程方向的定位精度,高程方向最大误差小于1.0m,LIO+NHC相对位置误差小于2%。(3)针对车辆处于GNSS拒止环境下GNSS/INS组合定位误差快速累积的问题,将RTK+TDCP/INS组合定位方法与激光惯性里程计结合,提出了基于扩展卡尔曼滤波的GNSS/INS/LiDAR融合定位算法。将LIO解算的位置与NHC结合作为观测量进行EKF的测量更新,以提升GNSS拒止环境下组合系统的定位精度,同时设计了合理的故障检测方案以确保多源融合系统的鲁棒性。最后自主搭建多传感器数据采集平台并进行车载试验验证分析,结果表明,多源融合算法能够显著提升GNSS中断期间组合系统的定位性能,在GNSS信号完全遮挡时间小于55s的环境下,可以实现平面和高程方向误差RMS均小于1.0m的定位精度。