组合导航系统在四旋翼无人机上的实现

针对无人飞行器行业的快速发展和导航系统对飞行器的重要性,提出了组合导航系统的融合方案。介绍了捷联惯导系统的原理、姿态算法。通过对惯性传感器进行误差标定和补偿,利用扩展卡尔曼滤波器建立了INS/GPS组合导航系统。仿真实验表明,组合导航系统的工作性能要优于纯惯性导航系统,能够为飞行器提供较高的导航精度。最后,将这种组合导航系统在四旋翼无人飞行器上进行了实现。     

无人机多传感器组合导航系统仿真研究

惯性导航系统受到陀螺和加速度计误差的影响,导航定位误差随着时间累积甚至发散.解决惯导系统误差累积的有效方法是采用组合导航系统.随着其他导航系统性能的不断提高,以惯导系统为中心,其他导航系统为辅助的组合导航系统是目前的研究热点.给出了一种以惯导系统为主,GPS和磁航向传感器为辅的多传感器组合导航系统,并对该组合导航系统进行了仿真研究.通过对仿真结果进行分析,验证了所提出的组合导航系统能够满足无人机导航任务的要求并且具有良好的稳定性.     

一种小型无人直升机捷联式组合导航系统设计

在基于小型无人直升机空中作业中,不仅需要导航系统提供的精确数据进行飞行控制,还需安装其它设备完成作业.为了减少小型无人直升机的负重,增加飞行时间,机载的导航系统需要高精度、低功耗、微型化的设计,采用微电子机械系统传感器的捷联式惯性导航系统满足了这些要求.然而惯性传感器的漂移会使捷联系统的数学解算产生误差累计,因而需要对惯性导航系统数据进行实时修正.本文设计了一种GPS修正的组合导航系统算法,应用卡尔曼滤波技术,对组合系统的多传感器进行数据融合,既保持了捷联惯导系统的自主性,又消除了累积误差,提高了组合系统的可靠性.上述系统通过在小型无人直升机飞行控制系统中的使用,验证了系统算法的有效性.     

捷联惯导/北斗高精度组合导航方法研究

提出采用紧组合方式进行捷联惯导/北斗组合导航设计,首先对捷联惯导与北斗系统进行误差分析与建模,将捷联惯导系统误差、北斗等效时钟误差相应的距离(伪距误差)以及等效时钟频率误差相应的距离率(伪距率误差)作为组合导航系统状态;利用捷联惯导位置输出与北斗接收机星历输出构造获得等效伪距,将其与北斗接收机测量的伪距对应相减作为量测,推导建立对应的量测方程,采用卡尔曼滤波设计捷联惯导/北斗组合导航滤波算法;仿真结果表明,该组合导航方法的速度精度达到±0.05 m/s,位置精度达到±3.2 m,水平姿态精度达到±0.4′,航向精度达到±1.6′。     

基于SAR辅助的惯导/星光组合导航系统研究

针对高空、长航时无人飞行器在对地观测成像期间对导航自主性和高精度的需求,研究了基于SAR辅助的惯导/星光姿态组合导航系统.针对SAR图像导航输出的间断性和多传感器组合导航系统中量测输出的不同步特性,设计了解决非连续性量测修正的多传感器组合导航滤波器模型.提出了解决多传感器量测不同步问题的异步集中滤波算法.仿真结果表明:...     

北斗/GPS无人飞行器动态导航中改进自适应算法

北斗与GPS或其他类型导航设备可构成组合导航系统,为无人飞行器提供高精度、高可靠导航信息。在处理动态导航数据采用"当前"统计模型(CS模型)并利用标准Kalman滤波方法时,系统动态噪声和观测噪声未知且时变,而且加速度上下限值不能自适应于未知运动规律的无人飞行器当前加速度,导致导航精度降低。为此,提出一种适应于飞行器运动状态的改进自适应算法,并应用于北斗/GPS动态导航系统中。实验仿真验证了该算法能有效提高组合导航系统的精度和可靠性,并能更好地自适应于无人飞行器的机动特性。     

基于卫星／平流层飞艇的区域导航系统设计

针对卫星/捷联惯导组合导航系统中卫星信号易受干扰的问题,为提高导航的精度和可靠性,提出了一种新的基于卫星和平流层飞艇的区域导航系统.根据区域导航平台,利用组合导航的模式,建立了同步卫星/捷联惯导/平流层飞艇组合导航的状态方程和量测方程,选取自适应联邦滤波算法作为组合导航的信息融合算法,形成联合滤波器,要以弥补卫星导航中信号易受影响的问题.最后设计开发了区域导航仿真系统,通过数字仿真表明,与卫星/捷联惯导组合导航系统相比,区域导航系统具有较高的导航精度和较好的可靠性.     

BDS/SINS紧耦合组合导航技术仿真研究

研究北斗卫星导航系统定位精度优化问题.由于单一北斗系统不能满足飞行器导航要求,为了增强系统可靠性、实时性和抗干扰能力,针对卫星系统导航信号通视性差、易失锁和数据更新频率低等问题,提出了机载紧耦合BDS/SINS组合导航技术.对BDS和SINS的误差模型进行分析,构造了利用伪距和伪距率的状态方程和量测方程.仿真结果表明,紧耦合组合导航系统精度和可靠性更高,在少星条件下仍能满足载体导航需求,并弥补了BDS单一导航的不足.     

MEMS SINS-GPS组合导航系统设计

为实现满足中低精度要求的低成本导航系统,选用MEMS惯性传感器研制了捷联式惯性导航系统(SINS);针对MEMS惯性传感器噪声较大和惯性导航系统误差随时间迅速累积的问题,利用小波对MEMS陀螺信号进行了降噪处理,并采用SINS-GPS卡尔曼滤波组合导航系统以消除惯导系统的误差累积,输出较高精度的速度、位置信息.对SINS和组合导航系统进行了仿真实验,实验结果表明所建系统的长时间导航性能有一定改善.     

车载卫星/惯导组合导航算法优化及精度分析

研究卫星惯导系统优化设计问题,由于惯性系统输出随时间变化存在漂移问题.传统组合导航系统滤波器模型越精细、维数越高,则组合精度越高,但计算量也越大,应用复杂度和成本也越高.为了降低车载应用成本及保证导航精度,针对简化惯导误差模型对组合导航系统滤波精度的影响,提出了一种组合导航系统滤波器优化算法,得出在车载条件下忽略惯导误差方程中计算量大的哥氏效应及地球自转误差项对组合导航精度影响不大,但计算量和成本可以得到减小.选取北京公主坟立交桥作为跑车路线,验证了所提算法的有效性.     

基于UWB辅助的多无人机惯导定位误差校正方法

针对卫星导航拒止的复杂环境下多无人机编队飞行只依赖惯性导航无法长时间导航的问题,提出一种超宽带(UWB,ultra wide band)辅助的惯导定位误差校正方法;给出UWB测距原理的同时建立了无人机机体坐标系下的惯导相对距离解算模型;在惯导误差模型的基础上,以惯导误差和UWB测距信息分别作为状态量和观测量,设计出惯导误差校正的扩展卡尔曼滤波模型;以两架无人机为例对算法进行仿真验证,仿真结果表明相较于纯惯导定位,该方法在东北天三个方向的最大定位误差不超过1 m,速度均方根误差值不超过0.01 m/s,很好地抑制了惯导系统速度和位置的误差发散,为解决无人机编队在卫星拒止环境中的定位问题提供参考思路。     

基于惯导/数据链的动态相对定位方法

针对卫星导航定位在复杂环境不可靠情况下如何实现无人机机间相对定位问题,提出一种基于机载惯性导航系统与机间数据链测距相结合的动态相对定位算法。该方法利用机载数据链通信测距能力与机载惯性导航系统输出的无人机速度矢量信息结合,建立机间相对定位模型,通过最小二乘法对无人机之间的相对位置进行估计,实现无人机机间的实时相对定位能力。由于通过最小二乘法解算出的相对定位结果依然存在误差,针对最小二乘法相对定位误差,提出秩亏网平差算法对无人机机群间的相对定位误差进行校正。仿真结果表明：基于最小二乘法的相对定位方法可以减缓惯性导航系统相对定位误差发散速度并且将惯导相对定位精度提高到3倍左右,通过秩亏网平差算法校正将最小二乘相对定位精度提高2倍。     

惯性/天文深组合非线性定位算法

针对传统惯性/天文定位算法进行天文导航定位时需要通过迭代计算获得载体的经纬度信息,会不可避免地引入定位计算误差问题,推导了天文高度角与平台误差角和水平位置误差的数学模型,进而提出了以天文高度角为量测信息的基于无迹卡尔曼滤波的惯性/天文深组合导航算法.仿真结果表明,所提出的算法利用单颗星即可进行定位,3颗星时组合导航定位精度达到100 m,有效提高了惯性/天文组合定位精度.     

移动USBL测距辅助的UUV协同导航定位方法

针对无人水下航行器(UUV) 导航精度受惯性导航(INS) 影响较大的问题, 本文提出一种基于无人水面船 (USV)携带超短基线(USBL)对UUV进行移动式辅助导航定位的方法. 文中以USV上高精度INS和全球导航卫星系 统(GNSS)组合后的导航结果作为基准, 利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态信息, 结合UUV的INS误 差方程, 建立了UUV协同导航系统的状态方程和观测方程, 并基于自适应卡尔曼滤波方法对UUV状态进行滤波估 计. 仿真和湖上实验结果表明, 文中所提方法可有效提升UUV导航精度.     

Advanced state estimation for navigation of automated vehicles

For the emerging topic of automated and autonomous vehicles in all major sectors, reliable and accurate state estimation for navigation of these vehicles becomes increasingly important. Inertial navigation, aided with measurements from global navigation satellite systems (GNSS), allows high-rate and low-cost estimation of position, velocity and orientation in real-time applications. As the available satellite constellations for navigation are modernized and their number is rising, usage of multi-constellation, dual-frequency and integration of correction data lead to increased accuracy, especially in areas with partial shadowing. Different coupling methods, e.g. tightly- and loosely-coupled integrations, were developed to combine inertial and GNSS measurements. Also different error estimation filters were applied to the navigation problem, and evaluated against each other. For the typical navigation task, the objective is to choose a suitable algorithm for the specific requirements of the target application, and deploy it using an appropriate implementation strategy. This contribution gives a short introduction into the field of aided inertial navigation techniques, provides useful hints for implementation, and evaluates their performance in experiments using two different railway vehicles, an autonomous maritime vessel, and an unmanned aerial quadrotor.     

组合导航的AGV定位精度的改善

为了减小AGV惯性导航系统的累积误差,利用地埋标签辅助惯性导航系统构成一种自主式组合导航系统.在忽略陀螺仪误差的基础上,由惯性导航系统的运动方程推算出位置误差的计算式,得出影响误差的3个因素:加速度计偏差、AGV的行驶角度和地埋标签的数据更新时间.提出从影响误差的地埋标签数据更新时间入手,重新布放地埋标签以降低数据更新时间来提高AGV定位精度.通过Matlab对数据进行仿真,表明该方法能有效地降低AGV惯性导航系统的累积误差,进而改善了AGV的定位精度.     

基于双目技术的无人机自主三维定位方法研究

无人机具有体积小、造价低、机动性强、隐蔽性好等优点,在军事侦查、地理勘测、目标跟踪等领域应用广泛。由于无法采用造价昂贵、体积庞大的精密惯导设备,当应用场景为弱或无GPS环境时,无人机的准确位置信息将难以获取,并且在实际飞行过程中还面临着GPS信号不稳或易遭欺骗等挑战。针对以上问题,提出了基于双目技术的无人机自主三维定位方法。介绍了双目立体视觉技术的光学物理原理,以及双目摄像头与目标的距离判别算法;设计了无人机通过双目技术进行三维定位的方法;详细说明了通过RSS定位方法计算出无人机的精确三维位置信息的运算步骤及矩阵计算式;通过MATLAB仿真实验检验了该基于双目技术的无人机自主三维定位方法的有效性和可实现性。结果表明,该无人机自主三维定位方法具有定位精度高、普适性强等特点。     

SINS/DVL水下组合导航技术发展综述

随着对海洋的探索和开发不断深入, 基于捷联惯性导航系统和多普勒计程仪相结合的水下组合导航技术, 近年来在水下无人航行器导航定位得到了广泛应用. 本文简要概述了捷联惯性导航系统/多普勒计程仪(SINS/DVL) 组合导航系统的基本架构, 列举了几种被广泛中应用于组合导航系统的信息融合技术. 通过对组合导航技术梳理分 析, 总结出近期研究的3个热点问题, 包括初始对准技术、标定技术、鲁棒性技术, 以技术的更新和优化为依托, 详细 阐述了3项技术的发展历程. 在总结归纳现有技术和研究成果的基础上, 展望并分析SINS/DVL组合系统将来的研究 方向及其面临的挑战. 本文可为高精度水下导航技术研究提供有益参考.     

In-flight alignment of a strapdown inertial navigation system of an unmanned aerial vehicle

The alignment system of a strapdown inertial navigation system for an unmanned aerial vehicle installed on a carrier aircraft is studied. The aim is to develop alignment techniques for the strapdown inertial navigation system that improve the accuracy of alignment and reduce the alignment time. A technique for constructing the initial alignment system for a strapdown inertial navigation system of an unmanned aerial vehicle is proposed.     

卫星导航定位误差仿真分析

卫星导航定位系统被广泛应用于军事、工业和民用等各领域。计算机仿真方法是研究导航系统性能的一种重要手段。文章从卫星导航测量原理出发,介绍了使用最小二乘估计方法来进行单点定位的卫星导航的仿真定位方法。完成了汽车、飞机、轮船三种载体的运动轨迹的建模,并针对载体的位移、速度的定位误差进行仿真分析。为探索位移误差变化规律,并验证定位误差仿真模型有效性,对卫星屏蔽角、电离层误差、对流层误差多径效应等因素变化进行仿真。并对汽车、飞机和轮船三种载体在运动状态下,可观测到的卫星数量、电离层和对流层延迟以及多径效应引起的误差对卫星导航精度存在影响,进行了仿真对比。结果表明,可观测到的卫星数量、电离层和对流层延迟以及多径效应对卫星导航精度影响较大,载体运动对卫星导航精度影响较小。