Strapdown Inertial Navigation System and Odometer Data Fusion Using Sensor Angular and Linear Displacements

The paper discusses the data fusion of strapdown inertial navigation system (SINS) accelerometers and gyroscopes and an odometer. Fusion is implemented using threedimensional inertial and kinematic odometer dead-reckoning, and continuous SINS updates by the computed odometer coordinates. Important factors for the integration accuracy are highlighted: misalignments between the SINS instrument frame and the body frame; linear displacements of the SINS center relative to the odometer reference point; odometer scale factor error, and possible timing skew between raw SINS and odometer data. These parameters are included in the estimated variables in the described data fusion algorithms. Based on the results of experimental data analysis, we demonstrate the necessity and efficiency of the proposed algorithmic solutions.

1. Горбачев А.Ю. Применение одометров для коррекции интегрированных навигационных систем // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Приборостроение. 2009. № 4. С. 37–53.

2. Кузнецов И.М., Пронькин А.Н., Веремеенко К.К. Навигационный комплекс аэропортового транспортного средства // Труды МАИ. 2011. Вып. № 47.

3. Андропов А.В. Повышение точности определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов за счет использования спутниковых радионавигационных систем: дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2006.

4. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Сафин Д.А., Назаров В.Г. Результаты тестирования на геополигоне навигационного обеспечения подвижных навигационно-геодезических комплексов // Сб. докл. XXXIV конф. памяти Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2024. С. 63–67.

5. Голован А.А., Никитин И.В. Задачи интеграции БИНС и одометра с точки зрения механики корректируемых инерциальных навигационных систем. Часть 1 // Вестник московского университета. Математика. Механика. 2015. № 2. С. 69–72.

6. Голован А.А., Никитин И.В. Задачи интеграции БИНС и одометра с точки зрения механики корректируемых инерциальных навигационных систем. Часть 2 // Вестник московского университета. Математика. Механика. 2015. № 4. С. 68–72.

7. Никитин И.В. Задача навигации наземного объекта на основе данных БИНС и одометра : дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2015.

8. Голован А.А. Интеграционное решение «БИНС – одометр»: позиционный вариант // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 2 (105). С. 110–125. DOI: 10.17285/0869-7035.0066.

9. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Парусников Н.А. Математические основы навигационных систем. Математические модели инерциальной навигации. М. : Изд-во МГУ, 2020. 162 с.

10. Georgy, J., Karamat, T., Iqbal, U., Noureldin, A., Enhanced MEMS-IMU/odometer/GPS integration using mixture particle filter, GPS Solutions, 2011, vol. 15, is. 3, pp. 239–252, https://doi.org/10.1007/s10291-010-0186-4/.

11. Obradovic, D., Lenz, H., Schupfner, M., and Heesche, K., Multimodal Fusion for Car Navigation Systems. Signal Processing Techniques for Knowledge Extraction and Information Fusion, part II, pp. 141–158, Springer US, 2008, https://doi.org/10.1007/978-0-387-74367-7_8/.

12. Wankerl, M., Trommer, G.F., Evaluation of a Segmented Navigation Filter Approach for Vehicle Self-Lo-calization in Urban Environment, Gyroscopy and Navigation, 2014, vol. 5, no. 2, pp. 98–107.

13. Jianchen Gao, GPS/INS/G Sensors/Yaw Rate Sensor/Wheel Speed Sensors Integrated Vehicular Positioning System, ION 2006, Fort Worth TX, 26–29 Sep., Session E3, 2006.

14. Libin Zhu, Wei Wang, CDGPS-Based Calibration of Odometer’s Scale Factor with Temperature for Vehicle Navigation System. Proceedings of the 2010 International Conference on Optoelectronics and Image Processing, 2010, vol. 1, рр. 317–320, https://doi.org/10.1109/ICOIP.2010.148/.

15. Qinghai Wang, Peihui Yan, Jinguang Jiang, Dongpeng Xie, Yuying Li, Qiyuan Zheng, Hongbin Tan and Jiaji Wu., Online Estimation of the Mounting Angle and the Lever Arm for a Low-Cost Embedded Integrated Navigation Module, Remote Sens., 2024, 16, 3064, https://doi.org/10.3390/rs16163064/.

16. Yuanxin Wu, Naser El-Sheimy, Self-calibration for IMU/Odometer Land Navigation: Simulation and Test Results, ION 2010 International Technical Meeting, January 25–27, 2010, San Diego, CA.

17. Вязьмин В.С., Голован А.А., Говоров А.Д. Начальная и конечная выставки бескарданного аэрогравиметра с определением смещений нулевых сигналов акселерометров // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 1 (120). С. 76–88.

18. Wei Jia, XuanXiao and Zhihong Deng, Self-calibration of INS/Odometer Integrated System via Kalman Filter, 2012 IEEE Fifth International Conference on Advanced Computational Intelligence (ICACI), https://doi.org/10.1109/ICACI.2012.6463156/.

19. Mirabadi, A., Khodadadi, A., Slip and Slide Detection and Compensation for Odometery System, Using Adaptive Fuzzy Kalman Filter, https://doi.org/10.1166/sl.2009.1014/.

20. Brunker, A., Wohlgemuth, T., Frey, M., and Gauterin, F., Odometry 2.0: A Slip-Adaptive EIFBased Four-Wheel-Odometry Model for Parking, IEEE Transaction on intelligent vehicles, https://doi.org/10.1109/TIV.2018.2886675/.

21. Mengxue Mu, Zhao Long, A Data Fusion Algorithm of GNSS/INS/Odometer Integrated System, Consideration of Total Odometer Errors, 21st International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2021, https://doi.org/10.23919/ICCAS52745.2021.9649816/.

22. Эль-Тохеи М., Эльхабиби М., Хассан Т. Калибровка интегрированной системы «одометр – лидар – гироскоп» в режиме реального времени для определения местоположения с использованием карт в отсутствие сигналов ГНСС // Гироскопия и навигация. 2024. Т. 32. № 2 (125). С. 46–65. EDN HUSCUZ.

23. Vasilyuk, N., Tokarev, D., GNSS + inertial + odometer navigation system for land vehicles with an extended odometer’s model identification, Inertial Sensors and Systems, 2020, Braunschweig, Germany, https://doi.org/10.1109/ISS50053.2020.9244893/.

24. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Козлов А.В., Папуша И.А., Зорина О.А., Измайлов Е.А., Кухтевич С.Е., Фомичев А.В. Интеграция спутниковой и инерциальной навигационных систем с учетом рассинхронизации данных и смещения спутниковой антенны. Опыт практической реализации. Вариант // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 3. С. 52–68. DOI: 10.17285/0869-7035.0070.

25. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общ. ред. В.Г. Пешехонова. СПб. : ГНЦ РФ «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.

26. Ouyang, W., Wu, Y., and Chen, H., INS/Odometer Land Navigation by Accurate Measurement Modeling and Multiple-Model Adaptive Estimation, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 57, no. 1, pp. 245–262, Feb. 2021, https://doi.org/10.1109/TAES.2020.3011998/.

27. Вавилова Н.Б., Вязьмин В.С., Голован А.А. Результаты разработки и применения алгоритмов интеграции низкоточной БИНС, СНС и одометра в аппаратном комплексе дорожной лаборатории // XXVI С.-Петерб. междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, 2019.

28. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Козлов А.В., Никитин И.В., Панев А.А., Парусников Н.А., Соловых И.А., Никифоров С.В., Лавырев А.М., Морозов С.В., Афанасьев А.В., Весновский И.В., Конон А.В., Лаптиев А.А., Турусиков Д.В. Результаты разработки и тестирования навигационных систем дефектоскопов магистральных нефтеи газопроводов // XXII С.-Петерб. междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, 2015.

29. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Панев А.А., Лаптиев А.А., Конон А.В. Разработка и тестирование алгоритмов навигации внутритрубных диагностических снарядов // XVII С.-Петерб. междунар. конф. по интегрированным навигационным системам, 2010.

30. Панев А.А. Задача навигации мобильных диагностических комплексов в режиме постобработки: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2010.

31. Zheleznov, V.M., Smolianov, D.I., Mishin, A.Yu., Fomin, D.M., Belov, R.V., In-flight inertial navigation system alignment under noncontrolled delays in aiding data, Journal of Physics: Conference, Series 1864 (2021), 012011, IOP Publishing, 13th Multiconference on Control Problems (MCCP 2020), https://doi.org/10.1088/1742-6596/1864/1/012011/.