惯性导航就是直接利用加速度计测出运载体的运动加速度，经过数学运算，进而确定运载体即时位置的一种导航方法。惯性技术出现于 20 世纪初期，由于电子和计算机技术的进展，从 1960 年代开始惯性导航系统的发展逐步从惯性稳定平台技术转向无平台的捷联技术，捷联惯导系统结构简单、可靠性强的技术特点进一步拓宽了其在各个领域应用的发展空间。实现这种导航定位计算所需的基准坐标系，则是由陀螺仪建立的。陀螺仪是角运动敏感的器件，它所输出的角运动信息通过解算模块计算机中，可转化为在数学平台的导航参数信息。捷联式惯导系统(SINS)无需稳定的实际物理平台，惯性敏感器件全都是直接装配在载体上面的，当载体运动状态产生变化时，它们的感应轴随之产生变化。惯导系统能捕捉到载体相对于地心坐标系的运动信息（包括线运动和角运动）。捷联惯导技术最早可追溯到上世纪 50 年代美国德雷伯教授成功实施了惯性导航系统为远程轰炸机导航实验，由此引起研究者们的关注。近 10 年后一些国家率先将此技术应用于军用飞机上，然后又有研究部门将惯组敏感器与载体直接相连完成从平台式到捷联式技术的初步转化演变。到了 90 年代后期捷联式导航代替平台式普及到各国军事设备中，全面发展成为了主要使用的惯性导航系统。而后几年，美国大力研发激光捷联惯导系统，得到了许多具有影响性的成果并成功应用于多种武器装备和商业飞行设备中。中国对捷联惯导技术开发的年限不是很长，目前技术水平还处于逐步上升阶段没有到达领先的位置。但经过我国众多研究科研人员辛勤努力，目前自主开发出中等精度，高等精度的捷联系统已经能够批量生产并投入使用。目前捷联惯性导航技术已经相对成熟、优点显著，在许多重要场合中具有不可替换性，但随着需求的不断增多，捷联惯导和其他技术相结合成了导航领域关注的焦点。

在我国的国民经济建设中，存在着许多工程测量问题有待解决。其中，工程结构的形变测量是一个很重要的方面。例如，水工坝体形变测量、铁路轨道不平顺性检测、桥梁屋顶形变测量等。目前常用的桥梁结构几何线形的测量方法主要有以下几种：（1）工程线形测量方法，利用工程测量仪器对某特定曲线的线形进行测量。使用的工程测量仪器主要有经纬仪、全站仪、水准仪等。（2）GPS 全球定位系统具有三维空间内导航与定位能力的中距离圆型轨道卫星导航与定位系统。地球表面绝大部分地区（98%）均可以采用 GPS 实现准确的定位。当然在被遮挡区域、地下区域、室内区域，GPS根本无法应用。在有些不稳定的大型结构上，剧烈的抖动也会严重影响GPS数据的精度。

传统工程形变的测量方法如用经纬仪、全站仪、水准仪等工程测量仪器进行测量，所得的线形测量结果虽然精度较高，但存在着不易安装，不能连续重复测量，人力、物力和时间消耗以及基准点不易确定等缺点，并且只是针对某个方向的形变检测，而屋顶形变测量需要的是监测整个屋顶表面在三维上的形状改变。GPS技术虽然提高了测量效率，但是仍然存在绝对测量精度较低，测量误差较大及GPS 接收卫星的信号时容易受到干扰，影响定位结果的缺点。而组合惯导技术不仅能检测三个方向线运动和角运动，而且还有一个极大的优点，它不必选定参考点，只以起点作为基准点，特别适合难以确定基准点的工程测量。此外，惯性系统的自主测量方式，不依赖外部的光线、电磁波、磁场等外界信息来测量物体运动的加速度和角速度，使得其相比传统的工程结构测量方式，具有不可比拟的优点。因此，开展这项研究具有十分重要的意义。

光纤惯性线形测量系统利用光纤陀螺组合惯导取得的成果，将原本用于航空航天、军事导航技术扩展服务于国民工业和大型工程领域。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室在桥梁工程、大型结构健康监测积累了丰硕的研究成果，成功地将光纤陀螺惯导技术应用于形变/变形/线形监测。本课题将依托“海南高铁站屋顶形变检测”项目，基于STM32单片机设计数据融合模块，实现数据采集和各类传感器数据融合，完成输出频率各不相同的各类传感器数据的实时接收、整合和存储，对原有的线形测量系统进行升级改进。该项目中，监测对象为室内大型结构，GPS信号无法获取。

本课题主要目的为设计数据融合系统，用于整合各类传感器数据。数据融合系统把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。与单传感器相比，运用多传感器信息融合技术在解决探测、跟踪和目标识别等问题方面，能够增强系统生存能力，提高整个系统的可靠性和健壮性，增强数据的可信度，提高精度，扩展系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等。本课题的线形系统主要模块为组合惯导模块，此外还包括倾角传感器、位置传感器和里程计等各类传感器。组合惯导模块的主体是光纤惯性传感仪表 FOG，其测量参数运载体的角运动参数是光纤惯性传感桥梁结构线形测量中最关键的运动参数之一。倾角传感器是作为角运动参数的辅助参数。位置传感器主要是对屋顶测量点的定位，而里程计则是对所测路程的记录。本课题将多种传感器的数据融合，与之前的单传感器或少量传感器相比测量精度更高误差更小，运用混合式信息融合系统，具有较好的适应能力，稳定性强。

2. 研究的基本内容与方案

本课题主要目的为设计数据融合系统，用于整合各类传感器数据。线性系统主要模块为组合惯导模块，此外还包括倾角传感器、位置传感器和里程计等各类传感器。本毕业设计课题将基于STM32单片机，设计数据融合模块，实现数据采集和各传感器数据融合，完成输出频率各不相同的各传感器数据的实时接收、整合和存储。

系统的主要工作流程为：放在小车上的STM32 控制板一旦检测到指定测量点便开始读取传感器数据，并将数据储存在SD卡中，直到小车行驶到指定地点结束测量。将小车上的STM32 控制板取回，连接到电脑上，通过串口将SD卡中的数据读出，并用数据处理软件对接收到的数据进行处理、显示及比较。

[1] 基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法的研究,张卓敏,武汉理工大学,博士学位论文,2014.

[2] STM32库开发实战指南:基于STM32F4,刘火良,杨森. 北京:机械工业出版社,2017.

[3] 李盛,胡文彬,杨燕,刘芳and甘维兵 (2014)."基于光纤陀螺的大跨桥梁连续线形检测技术研究." 桥梁建设(05):69-74.