多旋翼姿态解算中的改进自适应扩展Kalman算法

提出了一种改进的Sage-Husa自适应扩展Kalman滤波算法,用于保证多旋翼无人机在噪声统计特性未知且时变、振动为主要扰动源、姿态角高动态变化等飞行条件下飞行姿态角解算的精度与稳定性。该算法采用微机电系统陀螺仪实时动态解算的姿态角方差估计系统噪声方差;并采用自适应滤波算法在线估计量测噪声方差,从而保证滤波的精度与稳定性;同时引入滤波器收敛性判据,结合强跟踪Kalman滤波算法来抑制滤波发散。飞行实验与分析表明:改进算法解算的俯仰角与横滚角均方根误差分别为1.722°和1.182°,明显优于常规的Sage-Husa自适应滤波算法。实验还显示:改进的算法自适应能力强、实时性好、精度高、运行可靠,能够满足多旋翼无人机自主飞行的需要,若对参数进行适当修改,还可应用于其它动态性能要求较高的导航信息测量系统中。     

基于AEKF的车辆质量与道路坡度实时估计

针对车辆在实际行驶过程中外界噪声的统计特性无法已知的问题,以车辆纵向动力学模型为基础,提出了自适应扩展卡尔曼滤波(adaptive extended Kalman filter,简称AEKF)的车辆质量及道路坡度估计算法。以动态估计车辆系统中的质量与坡度为研究对象,引入了旋转质量换算系数,建立车辆纵向动力学系统的状态空间模型,考虑了不同时刻的档位匹配与行驶特殊工况的处理。对系统状态方程进行离散化处理,得到系统状态方程与系统测量方程,在扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,简称EKF)的基础上引入带遗忘因子的噪声统计估计器,通过AEKF对状态方程与测量方程实时更新,进行在线估计和校正噪声统计值,从而解决系统的噪声时变问题。本研究算法与EKF算法估计及实测结果的对比分析表明,本研究算法能够很好地对车辆质量和坡度信号进行有效滤波和估计,在短时间内逐渐收敛并逼近实测值,从而能够合理有效地检测车辆在行驶过程中的状态信息。     

基于置信度传播的变分自适应协同导航方法

协同导航过程中先验信息的准确性是保证协同导航系统精度和可靠性的重要关键因素。针对协同导航系统在复杂环境下会因外界干扰产生未知且时变噪声问题,提出一种基于置信度传播的变分自适应协同导航方法(SWSP)。首先以置信度传播(SPBP)协同导航贝叶斯框架为基础,完成基于置信传播机制的前向滤波;随后通过IW处理过程噪声和量测噪声作为贝叶斯估计的先验信息;进而利用前向滤波值构造滑动窗口对噪声进行平滑估计,从而解决因噪声时变而造成的协同导航系统滤波精度下降问题。仿真结果表明:当噪声时变时,进行平滑操作的SWSP算法与未进行平滑操作的SPBP算法相比,位置误差降低了90%,精度更接近于最优opt SPBP算法。     

改进的Kalman滤波算法在飞行器测距中的应用研究

为了解决四旋翼飞行器避障系统中激光和超声波传感器测距数据误差较大的问题,设计了一种改进的Sage_Husa自适应Kalman滤波算法。首先,在算法中引入遗忘因子,修正观测噪声协方差,校正数据结果,并使用Sage_Husa法对传统自适应Kalman滤波算法进行简化;然后,针对不同材质的障碍物墙面进行测距实验;最后,将结果与单一传感器和传统Kalman滤波算法的实验结果进行对比。结果显示,改进的Kalman滤波算法使激光和超声波传感器测量数据的融合结果更加稳定、准确,证明该算法能有效提高传感器的测量精度。     

基于鲁棒自适应SCKF的智能汽车目标状态跟踪研究

准确的自车和前车状态估计是智能汽车有效决策和控制的前提,而以往的研究通常不考虑噪声统计特性不确定的问题,导致某些情况下车辆状态估计的误差很大。为此,提出一种鲁棒自适应平方根容积卡尔曼滤波（Robust adaptive square-root cubature Kalman filter,RASCKF）算法,以降低噪声统计不确定性对估计精度的影响。首先,采用最大后验概率准则估计了过程噪声协方差和测量噪声协方差的统计值,以提高噪声稳定时状态估计的精确性。然后,基于标准化测量新息序列设计了故障检测规则,利用实时测量新息对噪声协方差进行校正处理,保证状态估计算法的鲁棒性。最后,在不同的噪声干扰工况下对RASCKF算法进行了仿真验证。结果表明,RASCKF算法在估计精度和稳定性上明显优于标准SCKF算法,有效地解决了智能汽车目标状态跟踪过程中噪声统计特性不确定的问题。     

基于FPAA与序贯双卡尔曼滤波信息融合的PCR温控

传统PCR(polymerase chain reaction)仪对样品反应池壁温度进行接触式测量与温控,存在测量迟滞大、无法直接控制试剂温度的缺点。研制的电化学实时定量PCR温控系统采用红外温度传感器、热源温度传感器以及环境温度传感器分别测量试剂表面热辐射、热源与反应池壁温度与环境温度,并提出序贯双卡尔曼滤波估计算法对三点温度数据进行信息融合从而估计出试剂表面温度真实值。该算法中迭代卡尔曼滤波器(iterated extended Kalman filter,IEKF)与线性卡尔曼滤波器(Kalman filter,KF)顺序运行,结合了IEKF非线性估计收敛快与KF实时性高的优点,克服了红外测温噪声大,易受环境、被测物热辐射率等因素影响的缺点。试剂温度的估计值作为反馈输入到基于FPAA(field programmable analog array)的可动态配置PID控制器中构成闭环控制,同时微控制器根据不同温控阶段的控制要求对PID控制器进行配置,从而提高温控效率。实验表明,滤波估计后红外测温精度由2℃提高至0.3℃;试剂表面温度监控与可动态配置PID使得PCR温控更加准确高效;PCR产物测试结果优于市面上PCR仪、恒温时间设置更加合理。     

基于运动学信息融合的四轮驱动汽车纵向车速自适应估计方法

针对四轮驱动汽车纵向车速难以直接测量的问题,考虑多源传感器信号置信度动态变化特征,提出一种基于运动学信息融合的纵向车速自适应估计方法.研究行驶环境对车载传感器信息的影响规律,建立基于Kalman滤波框架的运动学信息融合模型,设计面向有色噪声的车速自适应滤波算法,实现对车轮滑移和道路坡度等非随机时变因素的扰动补偿.为兼顾算法稳定性及估计最优性,提出融合衰减记忆因子的强跟踪滤波改进策略,有效避免了极限工况下的滤波发散现象.在Carsim/Simulink联合仿真环境下,采用坡道加速、车轮滑转和双移线等工况验证算法的有效性并与H∞滤波等方法进行对比.开发了处理器在环试验系统,分析算法在嵌入式控制器中运行的一致性和实时性.研究结果表明,所提出的车速自适应估计方法准确性高、稳定性好,与现有方法相比具有更好的工况适应性,估计结果不依赖先验噪声统计特性的获取,实时性能够满足车载控制器要求,解决了复合工况下四驱汽车高精度纵向车速的统一估计问题.     

基于NACKF的分布式驱动电动汽车轮胎侧向力与质心侧偏角估计

针对传统容积卡尔曼滤波算法在进行车辆关键状态估计时要求噪声统计特性已知的问题,提出一种噪声自适应容积卡尔曼滤波（Noise adaptive cubature Kalman filter, NACKF）算法来进行车辆关键状态的估计。基于次优无偏极大后验估计器对量测噪声协方差进行实时更新并将其嵌入到标准容积卡尔曼算法中实现自适应容积卡尔曼滤波。针对车辆不同子系统间耦合特性对滤波精度的影响,构建双重自适应容积卡尔曼滤波器分别进行侧向力与质心侧偏角的估计,两者在估计过程中互为输入构成闭环反馈,利用分布式模块化结构弱化系统耦合特性对估计精度的影响,实现轮胎侧向力与质心侧偏角的实时准确估计。利用Simulink-Carsim联合仿真平台进行仿真验证和实车试验验证。结果表明,基于双重自适应容积卡尔曼滤波的估计算法相对标准容积卡尔曼滤波估计精度更高,较好地改善了传统容积卡尔曼滤波器在噪声先验统计特性未知条件下非线性滤波精度下降的问题。     

基于SAW传感器的无线无源测温系统设计研究

对电力设备运行状态进行监测,能够及时发现问题,减少故障的发生,提高运行的安全稳定性。温度监测是状态监测的重要组成部分,目前,基于SAW传感器的无线无源测温技术可靠性高,受到了广泛关注。现分析了基于SAW传感器的无线无源测温系统的工作原理,给出了测温网关的硬件设计方案和SAW传感器、采集器、网关等设备的安装方法,还给出了温度监测系统软件设计方案。将测温系统安装在断路器上进行测试,给出了监测系统的软件界面,运行结果表明,本系统能够实现准确测温、及时告警的功能。     

电气测量中的多传感器信息融合技术

由于电气设备的测量精度有限以及传感器故障或受到噪声、电磁波等多种因素的干扰，使得电信号的精确估计存在一定的难度。基于Kalman滤波和多尺度传感器，采用局部小波预值处理，给出了多传感器系统重构的方法。仿真表明：该算法不仅利用多传感器提高了估计精度，而且对于传感器的突变型未知干扰具有很强的鲁棒性。而这种干扰可能来自于传感器故障或者随机电磁干扰。为在传感器故障或者随机电磁干扰的条件下精确估计系统状态，进而分析系统（包括系统组件故障诊断），优化运行参数，为有效控制提供了技术保证。     

移动机器人自适应抗差无迹粒子滤波定位算法

针对机器人定位过程中传感器感知信息存在野值,加剧粒子退化,导致机器人状态参数滤波值失真,甚至出现定位失败的问题,提出一种机器人自适应抗差无迹粒子滤波定位算法。在重要性采样阶段利用无迹卡尔曼滤波产生优选的建议分布函数,降低系统估计误差,同时有效提升系统的抗噪声能力。同时利用抗差估计原理构造抗差方差分量统计量,并由该统计量引入的自适应因子调节增益矩阵,减弱野值对滤波的影响。实验结果表明,当观测数据中存在野值时,该算法能够有效地控制观测异常误差的影响,定位精度得到了很大提高,并在不同系统噪声和观测噪声方差下,具有较强的鲁棒性和实时性。     

自适应卡尔曼滤波器在火箭弹落点估计中的应用

利用雷达对火箭弹一段飞行过程中的参数进行量测,对火箭弹落点进行了准确估计,实现了火箭弹的轨迹修正。采用具有自适应调节滤波增益矩阵的卡尔曼滤波器,结合质点弹道模型,建立了自适应卡尔曼滤波弹道模型,完成了对三坐标雷达探测的一段火箭弹飞行参数的野值处理与滤波,并对火箭弹落点进行外推。数值仿真结果表明,经自适应调节的卡尔曼滤波器滤波后,弹道量测信号中的野值与噪声被有效去除,且滤波方差可以在短时间内收敛。根据滤波时间与落点估计误差的关系,采用滤波时间为8-10 s 方案,可得到最佳的落点估计。     

自适应滤波算法在导弹动力系统故障诊断中的应用

基于时间序列的AR模型方法在用于液体导弹动力系统稳态工作段故障检测时遇到了两难题。其一,由于系统差异,在以试车时的动力系统状态的均值作为实际运行时动力系统状态均值时,得到的时间序列必定不再是零均值;其二,导弹动力系统工作环境不同时刻不尽相同,表现在AR模型中其观测噪声是时变的。在实践中,我们采用了基于扩展Kalm an滤波的自适应算法以及带有时变噪声统计的自适应滤波算法很好地解决了相关问题。     

自适应卡尔曼滤波在无刷直流电机系统辨识中的应用

为了有效抑制量测噪声特性变化对系统辨识精度的影响以获得准确的无刷直流电机模型,提出了一种采用自适应卡尔曼滤波算法的无刷直流电机系统辨识方法。通过计算新息理论方差的极大似然最优估计,并将其引入卡尔曼滤波算法中修正滤波增益来抑制量测噪声特性变化对辨识结果的影响,使该滤波算法实现对模型参数的准确估计,提高辨识精度。实验结果表明,在量测噪声特性变化的情况下,该算法能够准确跟踪实际量测噪声特性的变化,参数估计平滑,相对于目前系统辨识广泛采用的带有遗忘因子的递推最小二乘算法,输出误差的均方根值减小了73.5%。该算法简单易行,计算量小,辨识结果可以很好地描述系统行为,便于在工程实践中应用。     

基于Sage窗的自适应Kalman滤波用于钟差预报研究

钟差预报是时间保持工作中的一项关键技术。Kalman算法作为一种最优预报算法,具有实时性的特点,在时间保持工作中得到了广泛的应用。但是由于经典Kalman算法需要准确确定模型随机误差和测量误差,否则状态估计会引入一定的误差,在原子时算法中表现为原子钟噪声和钟差测量噪声。原子钟的噪声参数值通常是通过Allan方差估计,若估计不够准确,Kalman预报将会出现误差。通过研究基于Sage窗的自适应Kalman预报算法,实时修正状态模型误差。利用自适应因子调整状态预测协方差阵有效降低了模型误差,提高了预报精度,最后通过两台氢原子钟和两台铯原子钟的实测数据验证了算法的有效性。     

基于ASRCKF算法的锂电池SOC估算

针对平方根容积卡尔曼滤波(SRCKF)估算SOC时需要准确获得系统状态及测量噪声协方差这一缺陷,将基于电池模型输出电压残差序列的协方差匹配思想引入平方根容积卡尔曼滤波,提出了自适应平方根容积卡尔曼滤波算法(ASRCKF)。以18650型锂电池为实验对象,建立了戴维南等效电路模型,采用递推最小二乘法辨识电池模型参数,最后,利用UDDS电池实验数据对ASRCFK算法进行了仿真。实验结果表明,传统的SRCKF算法估算SOC产生的均方根误差为3.41%;而提出的ASRCKF算法估算SOC产生的均方根误差仅为0.97%,与传统算法相比具有更高的精度,对噪声的适应能力更强。     

融合自适应卡尔曼和小波的MEMS陀螺去噪方法

为提高MEMS陀螺仪信号的测量精度,提出一种融合卡尔曼和小波的MEMS陀螺仪自适应抗野值去噪方法。卡尔曼滤波中根据信息对干扰数据进行实时检测,通过修正增益或状态的一步预测值抑制野值对滤波精度的影响,然后利用小波分析对滤波后的陀螺仪信号的低频、高频分量同时进行阈值处理。实验表明该方法去噪效果优于卡尔曼滤波和Visushrink,陀螺仪x、y、z轴零偏不稳定性在该方法下比卡尔曼滤波分别提高了31.0%、29.3%、30.5%,比Visushrink分别提高了2.4%、12.1%、12.4%。     

基于 AKF 滤波器的时栅角位移动态误差抑制方法

动态测量下的谐波误差成分是制约高精度、高分辨率的时栅角位移传感器在动态测量领域运用的主要原因之一。针对动态测量下时栅角位移传感器中的谐波抑制难题,首先简述了时栅角位移传感器的系统模型,其次建立了时栅角位移传感器的动态误差数学模型,之后解释了传感器的动态误差产生机理,阐述了自适应卡尔曼滤波的基本原理,最后构建了基于自适应卡尔曼滤波的时栅角位移传感器的动态误差抑制模型。通过仿真分析证明了时栅角位移传感器在匀速和变速运行情况下,经自适应卡尔曼滤波后,动态误差均降低了约70%,且随着传感器转速的提高,对谐波误差的抑制效果越明显。在实验运用中,该滤波算法对时栅角位移传感器的测量值有很好的实时预测性,传感器能够更快速且稳定运行,在100 r/min的转速下测量误差降低约80%。结果证实了自适应卡尔曼滤波在时栅角位移传感器的动态谐波误差抑制中有着显著的作用,能极大地提高传感器的动态测量精度。