多传感器优化融合模型的理论与仿真研究

研究具有分层多级变结构、部分优化和FDIR功能的多传感器信息融合模型和算法.在进行系统理论分析和仿真试验时,以惯性/卫星/多卜勒/星光组合导航系统为对象进行了分层多级部分优化融合模型的仿真分析.仿真结果表明,应用优化算法进行融合后可使综合性能优于联邦滤波基本融合模型.     

SINS/LBL组合导航序贯滤波方法

在长基线水声定位系统(LBL)实际应用过程中,由于信标作用距离限制、障碍物遮挡等多种原因,使得水下无人航行器(UUV)可能无法接收到所有信标的应答信号而产生量测更新延迟问题。对UUV在无法接收到所有信标信号时的导航滤波算法进行了研究;结合捷联惯性导航系统(SINS)误差模型和声速误差,建立了SINS/LBL组合导航模型,并将异步量测序贯处理方法引入该模型,实现了SINS/LBL组合导航滤波算法的实时量测更新;通过湖上试验数据分析,对比了SINS/LBL组合导航序贯滤波方法与常规方法的位置误差。结果表明,该方法即使在应答信号有缺失的情况下,仍然能够利用有限的应答信号量测值进行实时量测更新,保障了组合导航的精度。     

嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统

研制出基于FPGA和DSP的嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统。该系统硬件由石英微机械陀螺仪、石英挠性加速度计、GPS接收机、数字磁罗盘和基于FPGA和DSP的高速导航计算机模块等组成。在该系统软件方面,采用圆锥误差补偿与划船误差补偿的现代捷联导航算法和含传感器噪声模型的18维扩展Kalman滤波器,并利用惯性传感器和MIMU导航信息对GPS和磁罗盘信号进行质量控制。经车载试验结果表明,该组合导航系统水平姿态误差小于0.2°,航向角误差小于0.3°,定位精度小于3m。     

大气辅助的SINS/GPS组合导航系统研究

高精度导航系统作为无人机自主控制的核心,已成为制约无人机性能提升的关键因素。SINS/GPS(strapdown inertialnavigation system/global positioning system)组合导航系统由于GPS信号易受干扰而无法满足无人机长时间稳定精确导航的需要。在分析大气数据系统特性的基础上,推导了捷联惯导与大气空速、高度误差模型,建立了SINS/ADS(air data system)量测方程,并设计了大气数据系统辅助的SINS/GPS松组合导航系统;针对ADS和GPS输出频率不一致的问题,提出了时间更新和量测更新分离的异步滤波算法。实际跑车验证结果表明,设计的系统能够在GPS受干扰的情况下有效提高系统的精度和稳定性,定位精度可以达到25 m。     

惯导/双目视觉位姿估计算法研究

无人飞行器自主导航系统作为无人机自主控制的核心,是制约无人机性能提升的关键因素.传统的惯导/GPS组合导航系统受其自主性、稳定性等限制无法满足无人机导航需求.在分析视觉导航特性的基础上,针对无人飞行器复杂运动特性,设计了基于非线性尺度空间的双目视觉三维位姿估计算法.在此基础上,针对双目视觉导航存在的位姿估计误差累积问题,提出了基于惯导/视觉融合的无人飞行器位置和姿态估计算法,利用卡尔曼滤波实现惯导与视觉信息的融合.通过仿真验证和实际跑车验证结果表明,提出的双目视觉位姿估计算法相比SIFT算法能够有效提高视觉图像特征检测准确度,惯导/视觉组合算法能够有效提高位姿估计精度,组合定位精度优于2.5m.     

INS/SFGPS PPP紧组合系统动态补偿滤波算法

惯性/卫星组合导航系统结合精密单点定位技术可有效提高导航定位精度。但精密单点定位技术一般需采用双频接收机,成本较高;同时该系统中采用载波相位作为部分或全部观测量,极容易受到周跳的影响而导致精度下降和系统不稳定。针对上述问题,设计了一种惯性/卫星精密定位紧组合导航系统以及基于动态周跳补偿的鲁棒滤波算法。该系统采用低成本的单频接收机(SFGPS),以精密单点定位技术(PPP)处理过的伪距和载波相位作为观测信息,与惯性导航系统(INS)等效观测量进行紧组合,建立了相应紧组合观测模型并引入周跳作为信息融合滤波状态模型中的状态量,以滤波器信息构建周跳检测统计量并对周跳幅值进行识别和估计,实时补偿观测量以提高观测信息精度,同时以前述周跳估计的结果对状态模型中周跳状态量部分滤波参数进行实时调节。上述方法通过动态补偿周跳误差提高导航精度,通过滤波器参数自适应调节提高滤波稳定性。仿真结果验证了该系统模型及算法的有效性。     

复杂环境下 GNSS / INS / UWB 紧组合的 无人机协同导航算法

针对多无人机系统在复杂环境下卫星信号易受到干扰的问题,提出了一种基于环路和积算法的协同导航方法。根据传感器的特点,设计了基于GNSS/INS紧组合的绝对导航和UWB辅助的卫星双差紧组合相对导航,然后使用各个平台自身的绝对导航信息和平台间的相对导航信息,构建协同导航滤波器,基于环路和积算法,设计了消息传递规则,减少了平台间的流量,计算任务在各个平台上分布运行,减小了计算压力。最后对不同复杂场景进行了仿真和物理实验,结果表明该方案的协同导航精度明显优于不进行协同导航的结果,且随着可观测信息的增多,该方法导航精度越来越高。     

应用RB无迹卡尔曼滤波组合导航提高GPS重获信号后的导航精度

针对微机电-船舶惯性导航/全球定位(MEMS-SINS/GPS)组合导航系统在GPS信号中断时造成的强非线性误差及重获信号后精度变差的问题,设计了基于Rao-Blackwellised无迹卡尔曼滤波(RB-UKF)的组合导航算法。首先,基于捷联平台欧拉失准角定义了姿态误差,建立了捷联惯导系统的非线性误差传播方程。然后,针对组合导航的状态方程为非线性而量测方程呈线性的特点,设计了RB-UKF算法,在保证精度的同时降低了计算量。最后,设计了滤波算法总体结构,分别给出了GPS信号正常时和中断时组合导航滤波计算的流程。将提出的算法用于跑车实验,结果表明:在GPS失锁20s和40s再重获信号之后,使用RB-UKF算法的组合导航系统位置精度分别优于6m和7.5m,比扩展卡尔曼滤波(EKF)算法精度提高了1.5倍以上,误差收敛速度提高了1.88~16.5倍,计算量比UKF量测更新的计算量减小了41.7%。实验显示该方法显著提升了组合导航系统GPS信号中断再恢复后的滤波精度,且易于工程实现。     

基于级联滤波的建筑结构信息 / 惯导室内定位方法

针对以惯性传感器为核心的鞋绑式室内行人导航定位中位置及航向误差无法有效校正的问题,通过集成微机电惯性传感器和室内建筑结构信息,提出一种级联结构的卡尔曼粒子滤波的室内融合定位方法。首先在下级卡尔曼滤波采用零速更新初步修正惯性导航的解算误差;上级粒子滤波器利用室内建筑结构信息通过穿墙检测进一步校准行人位置和航向。实验结果表明,基于级联滤波的建筑结构信息/惯导室内行人导航算法可有效降低惯导误差的累积问题,纠正传统算法采用零速修正校正系统误差时,因为航向不可观测而导致行人轨迹"穿墙"现象,该方法可减小位置更新过程中的误差累计,其结果相比单一惯性行人定位结果的位置均方根误差由0.69 m降低到0.39 m,航向均方根误差由0.81°降低到0.72°。     

基于UPF的车辆紧耦合定位算法

针对城市环境下车辆定位精度低、可靠性差且成本高的问题,通过融合GPS/北斗双模卫星导航定位系统和其他低成本的车载传感器信息设计了一种车辆紧耦合定位算法。首先基于低成本的降维惯性导航定位系统和双模卫星导航定位系统建立了非线性系统状态模型和观测模型;然后使用了一种改进无迹粒子滤波算法来进行多传感器信息的融合,在信息融合过程中,运用了一种模糊算法,根据卫星高度角和载波信噪比特征对伪距的观测噪声协方差值进行了自适应调整,从而提高了定位精度;最后,进行了实验评估。实验结果表明:该定位方法相比基于传统粒子滤波的定位方法能有效提高定位精度,具有可行性。     

A new method of seamless land navigation for GPS/INS integrated system

For the last few years, integrated navigation systems have been widely used to calculate positions and attitudes of vehicles. The strapdown inertial navigation system (SINS) provides velocity, attitudes and position information, whereas the global positioning system (GPS) provides velocity and position information. A method using neural network (NN) and wavelet-based de-noising technology is introduced into the SINS/GPS/magnetometer integrated navigation system, because system accuracy may decrease during GPS outages. When the GPS is working well, NN is trained using the velocity and position information provided by SINS as input and the corresponding errors as output. Wavelet multi-resolution analysis (WMRA) is also introduced to de-noise the errors, the desired output of NN. Test results showed that velocity accuracies improved using NN, but other accuracies remained poor. By re-training NN with WMRA, the system accuracies improved to the level of using normal GPS signal. In addition, NN trained with WMRA also improved the approximation to the actual model, further enhancing alignment accuracy.     

基于联邦滤波的智能车辆多传感器组合导航的研究

为满足复杂环境下自主驾驶智能车辆的高可靠性导航要求,对智能车辆的多传感器组合导航进行了研究。提出了一种基于自适应联邦卡尔曼滤波的智能车辆SINS/CP-DGPS/双向光电测速仪组合导航方法,根据联邦滤波的分散滤波结构,分别建立了各滤波器的模型,进行了仿真试验验证。结果表明,该组合导航系统能为智能车辆提供丰富的导航信息,具有100Hz的高频输出、厘米级的导航精度和较强的容错能力,便于实现对发生故障的传感器的隔离。当GPS较长时间中断时,组合系统通过SINS/光电测速仪所构成的局部滤波器的辅助仍能为智能车辆提供可靠的导航数据。

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基于光纤陀螺的组合导航系统中双DSP通信研究

以双DSP为核心的SINS/GPS组合导航系统中,双DSP的通信设计是非常重要且不可回避的问题。针对基于光纤陀螺的组合导航系统中既要快速处理大量实时数据又要同GPS进行组合反馈并修正导航信息的情况,文中分析了两种双TMS320C6747芯片通信方案的设计思路和它们的优缺点,并根据系统的特点和具体情况,最终选择了利用McASP串口的通信方案,实现了双DSP的无缝连接。该方案硬件电路简单易于实现,占用DSP资源少,完全适用于基于光纤陀螺组合导航系统这样数据交换密集但数据量小的场合。     

捷联惯导/天文导航/合成孔径雷达组合导航系统

设计了适用于巡航导弹的捷联惯性/天文导航/合成孔径雷达(SINS/CNS/SAR)组合导航系统,针对巡航导弹对导航系统高精度和自主性的要求以及其匀速、等高状态飞行的特性,突出工程实用性,对SINS/CNS/SAR组合导航采用非线性建模,非线性的无迹卡尔曼滤波(UKF)方法进行各子滤波器的滤波,非线性的模型和滤波方法更符合实际,因而提高了系统精度,而子滤波器之间的信息融合过程选择基于信息分配因子实时调整的联邦滤波器,大大增强了系统的容错性和实时性。提出了一种新的可观测度计算方法,简化了可观测度的计算。数字和半实物仿真实验表明组合导航系统对于巡航导弹高空长航的飞行环境具有很强适用性,该组合导航系统不但适用于巡航导弹,也适用于无人机等其他一些长航时飞行器,具有重大的工程应用价值。     

GPS/SINS组合导航系统中卡尔曼滤波器的应用

在现代生活中,GPS/SINS组合导航系统得到了越来越多的应用.文中介绍了卡尔曼滤波器在处理多个导航系统传来的数据中的应用,并且能够自动校正系统,以达到更高精度的要求.     

Application of unscented R–T–S smoothing based on novel mathematical model in SINS/GPS integrated system post processing

The integrated system of Strapdown Inertial Navigation System (SINS) and Global Positioning System (GPS) has become widely-applied equipment in airborne remote sensing for getting the motion information. For the SINS/GPS integration used estimation theory, the mathematical model plays an important role in the optimal estimation of state. In this paper, the main factors that affect the precision of SINS/GPS integrated estimation in IMU calibration errors are considered and a novel nonlinear mathematical model is proposed. An unscented Rauch–Tung–Striebel smoother (URTSS) is implemented based on this model, and Monto Carlo simulation and flight test with a loaded SINS/GPS integrated system are conducted to verify the performance of this model. The comparison results indicate that the proposed nonlinear model can effectively improve the attitude estimate precision.     

基于ARM的GPS/SINS组合导航系统设计

采用ARM920T内核的S3C2410X处理器为电路核心,融入GPS/SINS组合导航系统算法,并通过实验数据对比,进一步说明以ARM为核心的组合导航系统实现了系统的基本功能,可满足组合导航系统小型化、高精度和实时性的要求。     

新型智能导航系统车载终端的设计

基于车辆行车道路信息的实时共享概念,设计一种新型智能导航系统,使GPS可以收悉道路的实时动态和突发性信息,提升了GPS的智能导航性;该系统可根据实际情况查询比较不同行车线路,然后自主选择最佳行驶路线;使GPS的搜索功能更加智能,通过Internet信息综合,能快速搜索周围目标并引导司机到达。