高动态GNSS接收机导航数据采集完整性研究

由于高动态GNSS接收机数据更新率高、数据量大,因而对高动态GNSS接收机导航数据采集的完整性提出了很高要求;针对上述要求,对高动态GNSS接收机导航数据采集完整性进行研究,设计了定时、事件触发和双缓冲3种导航数据采集方法;由于数据截断问题,定时方法的数据丢帧率为15.72%,适用于数据量少、更新率低的环境;事件触发方法虽然有效避免了数据截断,但由于缓冲区溢出,导致数据丢帧率为11.88%,适用于短时数据采集的环境;双缓冲方法有效解决了数据截断和缓冲区溢出问题,丢帧率为0,适用于高动态环境;最后,将双缓冲采集方法在高动态GNSS接收机导航数据采集中应用,结果证明所设计的采集方法能够高效完整地采集数据。

高动态金属壳谐振陀螺进动特性分析

高动态金属壳谐振陀螺的进动特性,是敏感结构实现角速率信息有效提取的关键。针对金属壳谐振陀螺的进动特性进行研究,首先分析了金属壳谐振陀螺的总体研究思路,明确其工作原理;建立敏感结构的动力学方程和进动因子表达式;利用数值分析方法,对进动因子进行分析,得出金属壳谐振陀螺进动因子经验公式;最后对其进动特性进行综合分析。

CNN-LSTM车辆运动状态识别的AUKF组合导航方法

针对固定的噪声协方差难以适应车辆不同运动行为下噪声统计特性差异大的问题,提出了一种基于卷积神经网络与长短期记忆网络(CNN-LSTM)的车辆运动状态识别自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)组合导航方法。首先,应用CNN-LSTM网络模型进行车辆运动状态识别,解决车辆自我运动不确定性的问题;其次,将特定运动状态约束下的噪声协方差应用于UKF的时间更新与量测更新;最后,将所提方法在采集的数据集上进行验证。实验结果表明,与经典的UKF算法相比,所提方法的位置均方根误差与速度均方根误差分别下降了22.67%与2.63%,验证了所提方法的有效性。

钻柱的黏滑与高频扭转耦合振动测量与分析

钻井系统的自激扭转振动会导致钻头和地层之间的接触力或切削力相对速度出现下降特征。为减轻这种机制的影响,通过对三轴振动的时域、频域分析,研究了钻柱扭转振动特征。研究结果发现,低频的扭转振动会引发黏滑振动,黏滑振动频率为0.128 Hz,三轴振动和转速会出现周期性波动。钻柱发生高频扭转振动(HFTO)时,三轴加速度都出现了177.2 Hz的主频率。时域分析发现,切向加速度远大于轴向和法向加速度峰值,均方根值也较高,表明切向振动波动较大、能量高,说明此时井下正发生扭转振动。黏滑与HFTO发生耦合时,法向加速度会出现2个主频,即黏滑时的主频和HFTO的主频。高扭转频率会提高扭矩和机械转速导致钻具疲惫。研究结果对描述扭转振动的特征,判断钻井过程是否发生黏滑、HFTO和及时采取消除黏滑振动、缓解钻具疲惫技术措施具有指导作用。

基于AEKF的高速自旋飞行体组合导航方法

针对高速自旋飞行体运行过程中噪声特性无法准确获取的问题,提出了基于改进自适应扩展卡尔曼滤波(adaptive extended Kalman filter,AEKF)算法对量测噪声进行自适应调节,并在扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)的基础上提出了一种基于对状态变量新的建模方式的EKF算法,提高算法的实时性。采用北斗/捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)组合导航方案,在EKF的基础上,引入带遗忘因子的噪声估计器,通过AEKF对组合导航数据进行融合,对量测噪声进行估计。仿真结果表明,所提出的组合导航方法对高速自旋飞行体的姿态和位置定位误差较小,与无改进的AEKF相比,具有更好的收敛性。

基于地磁信息的高速自旋飞行体转速测量法

针对目前制导炮弹这类高速自旋飞行体转速变化范围大,且难以实现全程转速有效测量的问题,提出了一种基于地磁时域标量归一信息的转速实时在线测量方法:首先,研究高速自旋条件下的飞行体地磁运动特征,根据初始时间窗内接收的数据确定初始归一幅值,并计算初始转速;其次,通过前一时刻得出的转速计算下一个时间窗长度,在时间窗内对接收到的数据进行动态归一处理;最后,判断地磁零点时刻,根据所得零点计算转速,并计算下一个时间窗长度,以此类推,最终实现实时运动转速计算。仿真与试验结果表明,计算得出的转速值与实际设定值相差不超过8.2%,实现了对高速自旋飞行体全程转速的有效测量。

基于自适应因子图的车载GNSS/INS组合导航方法

针对短时遮蔽空间环境下,车载卫星导航系统多路径效应与信号衰减严重、粗差与周跳发生频繁,导致组合导航精度和鲁棒性降低的问题,提出了一种基于自适应因子图的车载GNSS/INS组合导航方法。首先构建GNSS/INS因子图模型,以INS为导航主系统,用GNSS因子对INS进行辅助修正,再根据GNSS测量的残差设计权重函数,进行自适应调整GNSS因子所占的权重,可有效抑制GNSS传感器随环境变化造成的发散误差,进而降低因GNSS定位误差过大对组合导航精度和鲁棒性的影响。最后通过搭载跑车实验进行对比验证,与传统基于因子图的组合导航方法相比,自适应因子图组合导航方法的定位均方根误差和最大误差分别降低了70.01%和55.31%。结果表明,所提方法定位精度更高、鲁棒性更好。

变电站环境下GNSS/INS组合导航系统设计与实现

针对工程车辆在变电站环境下单一导航模式无法提供精确稳定的定位信息问题,文章围绕全球卫星导航系统/惯性导航系统(global navigation satellite system/inertial navigation system,GNSS/INS)定位原理,详细给出GNSS/INS松组合模型和卡尔曼滤波算法,研发高动态、低成本的GNSS/INS组合导航终端设备,并以2022年3月在江苏省虞城(姑苏)换流站GNSS和GNSS/INS数据为例,比较分析工程车辆静止、运动状态下GNSS和GNSS/INS组合导航定位模式下车辆的点位、姿态角偏差值大小,分析其是否满足作业要求。结果表明提出的GNSS/INS组合模型及其算法数学模型简单、易于程序设计;研发的GNSS/INS终端设备成本低、效率高;车辆在运动状态下组合导航的位置误差要小于GNSS状态下的3 cm,航向角误差小于0.5°,且系统在静态情况下比动态情况下有较高的定向精度。该文的系统设计可以满足变电站工程车辆生产作业的需要,也为变电站环境下高精度、高可靠性的工程车辆导航提供借鉴和参考。

基于虚拟现实技术的井喷抢险模拟平台开发

井喷着火抢险作业的培训模式普遍存在着实地模拟危险性高、视频教学经验积累慢的缺点。有必要开发一个不受时间和场地限制的虚拟现实(Virtual Reality,VR)培训平台。利用Unity3D引擎搭建虚拟井场环境,使用粒子表面渲染和粒子系统实现井喷着火效果模拟,并建立多点源火焰热辐射模型,动态计算人员受到的热辐射伤害,以不同热辐射伤害等级划定安全范围。同时基于分层式复合碰撞体实现救援设备的人机交互和结果事件响应,完成一体化救援流程。结果表明:井喷着火时,安全距离应在70米以上;随着火焰倾角增加,最大安全距离都会向火焰倾向方向不同程度增大,最小安全距离会向火焰倾向的反方向不同程度减小。上述平台的开发建立,对安全救援作业有一定的借鉴意义。

粒子群优化噪声参数的行人导航零速修正算法

针对使用零速修正算法进行行人惯性导航时,固定噪声参数不适用所造成的导航精度较低的问题,提出了一种基于粒子群算法优化噪声参数的零速修正算法。通过最小化零速阶段的滤波器新息序列可以在线调整滤波参数,以适应当前行人运动状态,最后通过对多组惯性数据进行解算来验证算法有效性。分别使用了标准零速修正算法和粒子群优化的零速修正算法对惯性数据进行解算,并计算两种算法解算结果的位置误差,结果表明,提出的算法能够得到更小的定位误差和更平滑的解算轨迹。

基于锁相环的高旋飞行体滚转角估计方法

针对高旋飞行体滚转角速率难以直接测量的问题,通过分析高旋飞行体的角运动特征,建立了滚转角运动模型,提出了一种基于地磁信息和锁相跟踪的滚转角估计方法。首先利用最小二乘过零检测方法,提取地磁传感器测量的角频率信息,进而解算得到高旋飞行体的转速信息,再根据高旋飞行体角运动特性和俯仰、偏航轴陀螺测量信号特性确定三阶锁相环环路滤波参数,对提取的角频率信息和转速信息进行锁频锁相跟踪。通过软件仿真和载体试验分别对滚转角估计方法进行了验证。结果表明:利用三阶锁相环方法对高旋飞行体滚转角频率进行有效跟踪,能够获取滚转角速度和滚转角,满足高旋飞行体姿态实时解算要求。

一种基于IMM-SCKF的组合导航算法

针对在实际应用中组合导航系统存在的噪声干扰多变造成系统滤波精度降低问题,提出了基于交互式多模型(IMM)和平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)(IMM-SCKF)算法。IMM-SCKF滤波算法拥有多个模型集,通过调节子模型的概率后进行融合输出,能够尽可能地模拟实际噪声协方差。仿真试验和道路试验结果均表明,IMM-SCKF算法的速度误差和位置误差均方根均优于传统单模型CKF算法,能有效提高组合导航系统的可靠性。在实际道路跑车试验中,与传统CKF算法相比,IMM-SCKF算法的东、北、天速度误差均方根分别降低了52%、55%、30%,位置误差均方根分别降低了47%、60%、32%,IMM-SCKF算法显著提高了系统的定位精度及抗干扰能力。

可穿戴式自主定位技术的零速触发算法研究

所谓步态,即指人们在行走时躯干与腿的姿势,以及脚部接触地面时的状态。现如今,相关步态特征的应用技术已飞快地发展了起来。并在安全系统、人机交互、导航定位、医疗诊断等方面有了广泛的应用。而本文将提出一种利用三条件法将可穿戴式MEMS IMU(Inertial Measurement Units)用来实现检测静止步态的技术,此技术可以在定位领域,将检测出的静止状态作为一种触发条件,为零速修正、地磁角度更新等静态校准技术服务,从而使得定位的实时性和精确性得以更好的保障。本文通过将IMU分别安置在人体的脚部,腰部和胸部进行静止步态的检测,最终通过测试数据的仿真得出结论:将IMU放在脚部的静态检测效果要远远好于其他两种情况。

融合改进A^(∗)算法与动态窗口法的机器人避障研究

针对机器人在全局未知环境的路径规划中无法进行实时动态避障的问题,提出一种将改进的A^(*)算法与动态窗口法融合的机器人避障方法。首先将传统A^(*)算法3×3搜索领域扩展至5×5搜索领域,并将16个搜索方向进行取舍至9个,同时优化启发函数,通过优化时间复杂度来提升A^(*)算法搜索效率;然后进行冗余节点移除操作,剔除机器人路径中的多余拐点和共线的点;改进后的A^(*)算法较传统A^(*)算法平均减少了65.805%的路径规划时间和4.967%的路径长度。最后将改进的A^(*)算法与动态窗口算法进行结合,使得机器人具有动态避障能力,且保证机器人在局部避障的过程中得到全局路径规划的最优解。

高旋弹用实时数据处理与存储系统设计

针对高旋弹数据分析与存储的实时性、小空间、低功耗、大容量要求,设计适用于高旋弹用实时数据处理与存储系统;并提出一种数据处理与存储方法,实现了常规炮弹在飞行过程中的传感器数据实时处理与获取。首先针对高旋弹工作环境与数据采集过程进行分析,确定数据处理与存储需求;结合需求,利用Cortex-M7与FPGA的双核心架构配以外部并行高速ADC,实现传感器信号的采集与处理,利用高速FMC总线控制大容量片外FLASH,实现处理数据的存储,在此硬件基础上,提出了同步高速数据采集与存储方法。通过高速转台地面试验和实弹飞行验证了系统功能的正确性,其对常规炮弹弹道环境力以及制导化研究具有很大的应用价值。

基于虚拟现实技术的钻具组合运动反演研究

井下振动信号采集过程的不同时间段均会产生大量新的噪声,滤波仅能起到一定的效果;为了减弱其他时间段噪声对当前时间段振动积分的干扰,在直接频域积分的基础上提出滑动窗口积分的方法,构建单自由度振动模型,增加窗口大小以增加窗口内噪声数量,分析窗口大小与振动积分精度的关系;选用适合的窗口大小,分别用滑动窗口积分和直接时频域积分重建位移,与实际位移对比分析。研究结果表明,滑动窗口积分优于直接时频域积分的位移重建能力,且窗口越大,窗口内噪声数量越多,位移重建精度越差。构建虚拟现实地下场景,将滑动窗口积分应用于井下振动信号的位移重建,以重建的位移数据与其他数据共同驱动底部钻具组合运动,实现基于虚拟现实技术的底部钻具组合运动反演研究。研究结果对完善虚拟钻井平台的建设具有一定的指导意义。

行人自主导航定位的IEKF-SWCS方法

针对利用可穿戴式IMU对行人进行导航定位过程中,惯性器件产生累积漂移误差影响导航定位精度的问题,提出了一种基于改进扩展卡尔曼滤波(Improved Extended Kalman Filter,IEKF)的行人自主导航定位方法。该方法建立了融合人体运动特征的18维滤波模型,在IEKF中设计分段闭环平滑(Step Wise Closed loop Smoothing,SWCS)算法,消除跳变的修正采样点,提高了轨迹平滑度。利用自研的IMU传感器进行试验验证,结果表明该方法能够有效抑制惯性器件的发散,进一步提高了行人自主导航定位精度,并且不增加任何额外的硬件成本,对行人导航的研究具有实际应用价值。

基于准静止磁场检测的行人导航算法框架iIEZ+

在行人惯性导航领域,地磁修正算法作为一种有效的修正航向漂移误差的方法,应用在磁干扰环境中时,存在航向失真的问题,而航向精度往往决定了整个导航系统的优劣。为此,在Afzal提出的准静止磁场检测算法的基础上,提出了行人导航算法框架iIEZ+,即以Jiménez A R提出的IEZ+框架为基础,融入了改进后的准静止磁场检测算法,对地磁修正算法和启发式航向漂移消除算法的使用做出选择,实现了两种算法间的优势互补。实验表明,本文提出的算法框架可以有效抵御磁干扰的影响,提供可靠的航向和位置信息。经过多次室内外行走实验,定位误差约为路程的0.6%~1.6%,优于文中提到的其他基于IEZ框架的算法。

双天线GNSS辅助MINS导航方法研究

针对单天线GNSS辅助捷联惯性组合(INS)导航系统中,车辆静止及直线运动时航向角发散失效,误差较大,提出一种基于Extend Kalman Filter (EKF)的双天线GNSS辅助MINS组合导航方法。利用GNSS提供精度较高的航向角约束MINS的航向角发散,GNSS提供的速度和位置于MINS组合。根据双天线的GNSS/MINS组合系统的误差传播特性建立误差状态模型,设计了扩展卡尔滤波组合滤波算法进行仿真验证,通过对比高精度SPAN-CPT(SynchronousPositionAttitudeand Navigation)进行跑车试验。结果表明偏航角,俯仰角精度分别为0.2RMS,0.3RMS,速度位置精度提高,可用于低成本高精度车辆导航。

基于高频线性调频连续波的生命体征测量研究

针对接触式、穿戴式的生命体征测量工具本身固有的局限性和不便利性,和低频段毫米波精确度低的缺点,提出了基于高频线性调频连续波(Frequency-Modulated Continuous Wave,FMCW)的非接触式生命体征测量方法。通过对FMCW的发射波和接收波进行混频处理,得到差频信号及其中心频率,由中心频率推导出目标的距离和速度信息。通过实验,与两款手环做心率检测对比,最大误差为6.7%,最大标准差为3.55277。对于不同衣着静止目标、相同衣着移动目标、不同衣着移动目标的最大误差分别为4.5%、7.2%、7.7%。