激光雷达惯性组合导航系统的一致性与最优估计问题研究
作者： 章大勇，吴文启著
出版时间：2017年版
内容简介
本书研究了基于地标量测的激光雷达／惯性组合导航算法，对其中的关键技术和科学问题进行了深入分析，包括：地标特征提取中包含的一致性问题及其优化技术、激光雷达和惯性导航系统的量测一致性问题，组合导航优估计的可观性问题和地标混合观测下的全局状态估计问题。
本书研究了基于地标量测的激光雷达／惯性组合导航算法的基本方法，包括不同特征地标的量测方程构造、空间非线性量测的线性化滤波器建模、点云扫描的归化问题，并分析了激光雷达／惯性组合导航中主要的误差源及其对系统的影响。分析认为，一致性与优估计问题是影响激光雷达／惯性组合导航的关键因素。研究了参数化点云特征提取及其参数空问一致性优化方法。首先研究了基于模型驱动的空间平面和圆柱面提取方法，深入分析了三维Hough变换的特点，指出传统三维Hough变换存在参数空间分割不一致问题。在此基础上，提出了基于对偶空间分割的三维Hough变换，在不改变计算量的情况下实现了参数空间的一致完备分割，对偶空问分割充分利用了传统高斯分割的有效线性逼近，通过坐标旋转和重定义实现半球参数空间在测地线意义上的完备且一致分割，从而避免了多值性问题，保证了特征提取的致性。实验表明，对偶空间分割能够有效检测半球面上任意方向的参数化地标。
内页插图
目录
第1章 绪论
1．1 课题研究背景及意义
1．2 国内外激光雷达／惯性组合导航的研究现状
1．2．1 国外激光雷达辅助导航技术研究现状
1．2．2 国内激光雷达辅助导航技术研究现状
1．3 基于特征量测的激光雷达／惯性组合导航系统基本问题分析
1．3．1 基本问题分析
1．3．2 点云特征提取
1．3．3 激光雷达／惯性系统的量测一致性
1．3．4 基于地标观测的组合导航状态估计
1．4 本书的研究内容、组织结构和主要贡献
1．4．1 研究内容与组织结构
1．4．2 本书的主要贡献和创新点
第2章 基于地标观测的激光雷达／惯性组合导航算法模型
2．1 激光雷达测量
2．1．1 激光测距、扫描系统
2．1．2 激光雷达／惯性组合系统空间测量几何模型
2．2 基于地标特征观测的组合导航模型
2．2．1 系统状态方程
2．2．2 点特征条件下的观测方程
2．2．3 线特征条件下的观测方程
2．2．4 面特征条件下的观测方程
2．3 地固坐标系中组合导航线性化滤波模型
2．3．1 地固坐标系中的捷联惯性导航误差模型
2．3．2 地固坐标系中的线性化地标观测方程
2．4 组合导航地标观测的测量误差分析
2．4．1 激光雷达／惯性组合系统的测量误差源及对组合导航影响
2．4．2 扫描归化问题及其对组合导航影响
2．5 本章小结
第3章 基于一致性优化的点云特征提取
3．1 基于空间一致分割的参数化特征提取算法
3．1．1 基于三维Hough变换的全局特征提取
3．1．2 三维Hough变换的空间一致性问题
3．1．3 基于对偶空间分割设计的三维Hough变换
3．1．4 实验验证与分析
3．2 多尺度一致的点云局部特征提取
3．2．1 多尺度理论基础
3．2．2 基于几何流的多尺度特征提取算法
3．2．3 实验验证与分析
3．3 本章小结
第4章 激光雷达／惯性导航系统的量测一致性问题研究
4．1 激光雷达／惯性导航系统的标定几何模型和量测方程
4．1．1 激光雷达／惯性导航系统的标定几何模型及参考选择
4．1．2 基于控制点量测的标定方程
4．1．3 基于小角度假设的平差法标定
4．2 基于控制点量测的最优标定算法
4．2．1 控制点量测修正策略
4．2．2 基于向量观测的标定算法
4．3 实验验证与比较
4．3．1 实验基本情况
4．3．2 实验结果分析
4．4 本章小结
第5章 激光雷达／惯性组合导航可观性分析
5．1 可观性概念
5．2 地标观测下激光雷达／惯性导航可观性分析
5．2．1 系统模型及地标观测分析
5．2．2 点地标观测下激光雷达／惯性导航的可观性分析
5．2．3 线、面特征地标观测下激光雷达／惯性导航的可观性分析
5．3 实验验证与分析
5．3．1 高精度惯导条件下的组合导航仿真实验
5．3．2 低精度惯导条件下的组合导航仿真实验
5．3．3 实际数据验证与分析
5．4 本章小结
第6章 基于绝对／相对地标混合观测的全局状态估计
6．1 基于绝对／相对地标混合观测的组合导航算法
6．1．1 绝对／相对地标混合观测组合导航的基本思想
6．1．2 导航参数和相对地标联合状态估计
6．2 混合观测条件下系统状态收敛性分析
6．2．1 相对地标的位置收敛性
6．2．2 混合观测条件下导航参数的收敛性分析
6．3 混合地标观测组合导航系统实验与分析
6．3．1 实验方案
6．3．2 实验结果与分析比较
6．4 本章小结
第7章 结论与展望
7．1 本书总结
7．2 研究展望
附录A 坐标系定义及地球模型参数
A．1 常用坐标系的定义
A．2 常用坐标系的相互转换
A．3 地球模型参数
附录B 矩阵求逆公式
附录C 几种典型全三维扫描激光雷达
参考文献
