行人自主导航技术综述

导航与位置服务是我国经济新增长点和战略性新兴产业。近年来,行人自主导航技术由于可为行人提供高自主、高智能、高可靠和低成本的位置服务而备受关注,成为了导航与位置服务赋能可穿戴设备的关键驱动力。针对惯性、磁场和视觉三大主流行人自主导航方法进行了调研分析,梳理了行人自主导航技术的研究进展,重点阐述了各类技术途径的原理与特点,并指出了行人自主导航技术的未来发展趋势。

基于两个点集间参数估计的DVL标定方法

[目的]为了提高无人艇(USV)捷联惯性导航(SINS)与多普勒计程仪(DVL)组合导航的精度,需要对DVL误差进行精确标定。[方法]首先,对DVL的安装误差角、杆臂、比例因子进行误差建模,着重分析舰船中杆臂误差项对组合导航定位产生的影响;然后,提出一种基于两个点集间参数估计的DVL误差标定方法,即将SINS/GNSS导航参数与DVL输出参数视为两个点集,将标定问题转换为两个点集间差值的估计问题,再利用卡尔曼滤波器对两个点集间的误差参数进行估计;最后,利用基于奇异值分解(SVD)的可观测性分析,对不同运动条件下滤波器的可观测性定量分析,给出标定过程中载体的运动策略。[结果]数学仿真和海试试验结果表明,标定后的SINS/DVL算法全局相对精度可达到0.122%航程;在角机动时,杆臂会导致SINS/DVL定位突变;补偿杆臂后的定位误差更加平滑,且整体上具有更小的定位误差。[结论]所提方法可为包括杆臂在内的各项DVL误差标定提供可行的途径。

矩阵式函数迭代惯导解算的FPGA实现

惯性导航解算的目的是处理陀螺仪和加速度计的输出信号,以获取运动物体的姿态、速度和位置信息。函数迭代惯导解算方法(iNavFIter)将运动不可交换性误差降低到了计算机截断误差水平,但计算负担是经典双子样算法的10倍左右。为了提高计算效率,提出了iNavFIter-M算法,将函数迭代惯导解算重新编排为矩阵向量形式,并在硬件FPGA上实现了iNavFIter-M算法的IP核。数值结果表明:所设计的iNavFIter-M算法IP核实现了1000Hz采样率下的高精度实时计算。

石英挠性加速度计力矩器仿真建模与优化设计

石英挠性加速度计中磁场性能直接影响加速度计输出精度,而力矩器是影响加速度计内部磁场的关键。因此,以石英挠性加速度计中力矩器为研究对象,采用等效磁路方法建立含补偿环元件的力矩器工作气隙磁场数学模型,以此为基础分析工作气隙磁场均匀性和磁场强度等性能,并采用多参数优化方法对力矩器系统进行整体优化。仿真结果表明,优化模型有效提升力矩器工作气隙磁场均匀性,磁场轴向极差ΔB_(R)由386.3396 mT缩小至108.2755 mT,端点极差ΔB_(D)由217.8894 mT缩小至2.1934 mT,线圈位置气隙轴向磁场几乎保持对称,从而降低加速度计输出非线性,验证了优化方案的可行性。

谐振式光学陀螺噪声抑制技术研究现状(特邀)

谐振式光学陀螺仪利用光学谐振腔在时空上对光波极强的局域增强效应,有望成为兼具高精度和小体积的光学陀螺。然而,谐振式陀螺转动产生的Sagnac效应相对微弱,容易受到陀螺系统内非互易性以及互易性噪声的干扰,成为其精度提升的瓶颈。在陀螺的小型化过程中这一问题更加凸显。因此,对谐振式光学陀螺仪进行噪声抑制显得尤为重要。本文详细综述了谐振式光学陀螺中非互易性和互易性两大类噪声的原理及其抑制方法,总结了该领域近来年的研究现状及未来挑战与发展趋势,为我国谐振式光学陀螺发展提供参考。

基于数字孪生的捷联惯组仿真测试技术

捷联惯组是导航控制系统的核心设备之一,能够通过旋转机构进行自检测、自对准、自标定,建立捷联惯组的数字模型有利于监控产品状态、预测产品精度变化趋势、辅助定位产品故障。首先对捷联惯组的系统组成进行分析,并根据不同组成部分的特性建立对应的数学模型,然后基于数字孪生建立的捷联惯组多维度多学科动态模型,最后通过试验验证该模型能够一致性反映捷联惯组实体产品在真实环境中的属性、功能、性能以及被测试的能力。通过捷联惯组的数字孪生系统,实现捷联惯组在数字空间与物理空间之间的实时交互应用。

基于卷积神经网络的冗余高精度加速度计导航系统研究

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是为各类运载体平台在GPS拒止环境下提供自主导航的关键技术。然而,现有的INS存在误差累积问题,影响其长期导航精度。为增强INS的准确性,本文通过引入高精度加速度计并利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)提出一种新型基于卷积神经网络的冗余高精度加速度计导航系统,该系统优化了误差预测和反演校正能力,显著提高了导航精度。实验结果证明,该系统在减少误差累积和提高长期导航稳定性方面优于传统INS方法。

MPOS联邦实时组合算法

微小型位置姿态测量系统(micro position and orientation system,MPOS)是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置,其测量精度严重制约成像精度的提升。针对MPOS集中滤波实时性差的问题,在基于双ARM(advanced reduced instruction set computing machines)硬件平台的基础上,采用联邦滤波实时组合算法对多组传感器数据进行最优信息融合。以微惯性测量单元为公共参考系统,双天线全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和磁强计作为子系统提供量测信息,将各个子系统得到的局部误差协方差及状态估计值在主滤波器中进行信息融合得到最优估计值。通过动态实验验证了基于联邦滤波实时组合方法的MPOS,其位置、速度、航向角及水平姿态角精度可达0.6 m,0.03 m/s,0.15°,0.04°。

航道辅助地波雷达机动目标跟踪研究

交互多模型(Interacting Multiple Model,IMM)方法应用于高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)机动目标跟踪时,其固定的模型集合与转移概率矩阵会导致模型竞争与模型概率切换滞后,降低了目标状态估计的准确性,容易引起航迹断裂、丢失等问题。为此,对基于航道辅助的交互多模型地波雷达机动目标跟踪方法进行了研究。首先,利用有向图模型估计海上航道并提取航道信息,判定目标所处的航道位置并据此自适应切换目标运动模型集合;然后依据确定的模型集合进行多模型滤波,利用滤波新息构造运动模型的极大似然函数并计算每个模型的似然值,通过计算运动模型之间似然值比值计算概率修正因子,采用概率修正因子与原模型转移概率矩阵的乘积更新模型转移概率矩阵。利用仿真与实测数据开展了海上机动目标跟踪实验,结果表明,与传统IMM算法相比,本文方法可显著提升模型概率的切换速度,跟踪得到的航迹维持时间提高了54.2%,算法运行时间减少了30%,运动模型匹配平均概率提高了14.1%,实现了对海上目标的长时跟踪。

一种基于相关特性的低精度IMU初始方位角对准方法研究

为降低陀螺制造成本,本文针对只需定向而对定位精度要求不高的捷联惯性导航系统,提出了一种两位置对准改进优化方法。该方法基于对准误差与水平X、Y轴陀螺随机噪声在东向投影的相关性,且与惯性导航设备所处的方位角有关的原理,通过在精对准时将惯性测量单元(IMU)转到0°和18 0°,降低Y、Z轴的陀螺精度对初始对准精度的影响,从而实现以较低精度陀螺完成精确初始对准的目的。最终进行了相关仿真试验和实物测试,结果表明,本文提出的方法在Y、Z轴陀螺精度降低50%时,仍能保持初始对准精度不变,进一步验证了本文所提方法的有效性。

动态场景下基于双重特征约束的视觉惯性SLAM算法

针对传统视觉惯性算法在动态物场景下特征误匹配造成轨迹精度低的问题,提出一种动态场景下平面约束和双重特征误匹配剔除的改进视觉惯性SLAM算法。首先,采用改进Plane-Recover算法分割动态场景中静态平面区域,构建损失函数优化静态平面区域分割效果。其次,采用双重特征误匹配判断方法,通过平面约束策略得到正确面特征匹配,同时利用RANSAC与三焦张量算法结合的策略,提高点特征匹配准确度。在真实场景下进行验证,实验结果表明所提算法与VINS-mono算法相比轨迹精度平均提高20.82%,验证了所提算法可有效提升动态场景下的轨迹精度。

室内场景下基于曼哈顿约束的多重特征视觉SLAM方法

针对基于点特征的视觉同步定位与地图构建(SLAM)在室内低纹理环境出现定位精度差甚至失效的问题,提出一种基于曼哈顿约束的点线面多重特征视觉SLAM方法。为克服传统面特征提取算法检测精度差的问题,使用改进的PlaneRecNet网络进行更准确的面特征提取。针对单纯利用曼哈顿假设进行位姿估计的应用场景受限问题,利用平面间的正交关系判断曼哈顿假设条件。在非曼哈顿场景直接跟踪点、线特征估计六自由度位姿;对于曼哈顿场景,采用方向引导的方法筛选主平面,比较和跟踪平面结构的正交性进行三自由度旋转估计,降低旋转累积误差带来的漂移。在公开ICL-NUIM与TUM数据集上的实验结果表明:改进的面分割网络较PlaneRecNet和PlaneRCNN的精度分别提升5.47%和11.89%;平均绝对轨迹误差比ORB-SLAM3减少了39%,表现出了更优越的准确性和鲁棒性。

微光学陀螺发展研究

微光学陀螺(micro optic gyroscope,MOG)是一种基于波导环和Sagnac效应的小型化、集成化的新型角速度传感器,因其在综合性能上的潜在优势,有望在智能弹药、无人飞行器和水下无人运载器等小型平台上获得广泛应用。文中简述了3类MOG的基本原理;详细介绍了国内外研究机构在3类MOG技术方案,各光波导、集成光学器件等关键组件的方案及其制造工艺技术等方面取得的进展;展望了MOG的发展前景。

一种低功耗电流/频率转换电路零偏补偿方法

电流/频率转换电路主要用于惯导领域中加速度计输出电流测量,目前典型电流/频率转换电路功耗较大,限制了其应用范围。通常采用分流电路进行低功耗电流/频率转换电路设计,但该方式会带来较大零偏误差,影响电路测量精度。对此分析了影响低功耗电流/频率转换电路零偏的原因,提出了一种利用单片机实现零偏补偿的方法,其只需多次烧录程序就可实现迭代补偿,通过对三个典型温度点粗补偿和全温度段精补偿,较便捷地实现了高精度零偏补偿。经过试验验证,设计的产品全温零偏小于0.15 Hz,功耗为典型电路的1/5,具有较高的工程应用价值和良好的市场前景。

FOG信号的变步长符号LMS自适应消噪方法

针对光纤陀螺输出信号的随机漂移,本文提出了变步长符号LMS自适应消噪方法。结合工程实际需要,该方法在常规最小均方算法(LMS)的基础上进行了两方面改进:一方面,从提高滤波精度和稳定性角度引入输入信号的归一化功率;另一方面,从减少计算复杂性、提高算法实时性角度引入误差符号函数;并通过收敛性分析确定了变步长符号LMS算法的步长参数。某型光纤陀螺的静态实验和转动实验结果表明变步长符号LMS算法不仅可以提前确定步长参数,且在滤波稳定性、滤波精度和实时性等综合性能方面具有优越性,适合工程应用。

旋转惯导中转位电机控制算法对导航精度的影响分析

随着陆用和海用装备对导航系统高精度、快速性和长航时要求的提高,旋转惯导成为满足这些要求的重要技术路线之一。旋转惯导中转位机构的转动精度、加减速平稳性和启动速度等成为影响姿态解调精度的关键因素。初始对准、转位调制和姿态解调特性表明,旋转惯导对电机控制的要求为速度平稳、加速度可控。为此,分析了现有的分段速度控制算法和基于S曲线规划的电机控制算法对导航精度的影响。仿真和试验表明,满足转位过程平稳连续、加减速可控的要求,实现了位置转动精度提高、加减速过程的对称性,避免了速度超调过大对电机可靠性的不利影响。

海上组合导航中北斗定位误差处理方法研究

本文针对海上捷联惯导与北斗卫星导航系统松组合导航的场景,研究了北斗定位误差的处理方法。通过分析北斗定位误差的来源,指出北斗定位误差在局部区域、短时间内存在常值偏离。该常值偏离可以通过地面差分站发布的差分数据补偿。现阶段,北斗系统的地面差分站主要集中在国境内重点区域,对于没有布设地面差分站的国境外区域尤其是海洋区域,常用方法是将北斗定位误差看作噪声来处理。但是,这种方法会牺牲组合导航的精度。本文提出采用卡尔曼滤波状态扩维方法,将北斗定位的常值偏离纳入滤波器状态进行估计,以提高组合导航精度。由仿真算例可知,该方法可有效提升定位精度。

长航时旋转调制惯导系统试验测试评估

随着旋转调制惯导系统精度的不断提升,单次导航实验周期越来越长,试验周期急剧增加,为试验鉴定和评估带来了困难。为合理评价长航时旋转调制惯导系统的导航精度,首先介绍了一种兼具自标定、自对准功能和导航功能的一体式旋转调制方案,将惯导系统自标定、自对准状态和导航过程中的旋转路径进行统一;然后提出了一种基于重复样本的长航时旋转调制惯导系统长周期导航测试方法,该方法可以更高效快捷地完成所需全部导航测试评估任务;最后,利用实验室30天的长航时导航测试数据进行了实验验证,最大定位误差为0.71(归一化),与独立航次统计结果相当,同时利用车载动态试验验证明了该方法的有效性和可行性。该方法可以大幅缩短导航系统测试的周期,为长航时惯导装备研制和试验测试评估提供有效手段。

捷联惯导系统全状态量现场标定方法

捷联惯导系统的现场标定使用系统级标定方法,由于可观测度较小的状态量不能用卡尔曼滤波辨识估计误差参数,因此提出一种基于状态量正交基的可观测度计算方法,并根据此方法设计出一种提高全状态量可观测度的转位方案。在转动过程中测量每个时刻静基座惯性导航的速度误差,使用卡尔曼滤波器辨识出全状态量误差参数。经实验验证,对比未设置转位方案的现场标定结果,所提现场标定方法不仅能提高全状态量可观测度,而且对系统级标定的结果也有提高,具有较好的工程实用性。

冷原子一体化全自主高精度导航研究进展

全自主导航可在不与外界进行信息交换前提下实现全天候、高抗干扰、高隐蔽性定位、导航和授时。冷原子干涉仪由于其物质波和能够提供绝对测量的特性,具有超高的灵敏度和稳定度潜力,有望打造出惯性导航及重力与重力梯度地图匹配辅助导航一体化的全自主高精度导航系统并应用于长时航程载体。从原子干涉仪的构型出发,综述了近十几年国际上的冷原子传感器相关研究,并对各类技术方案进行分析,为适用于一体化全自主导航的方案选择提供参考。