线性支持向量机优化问题的一种光滑算法

线性支持向量机的无约束优化模型的目标函数不是一个二阶可微函数,因此不能应用一些快速牛顿算法来求解。提出了目标函数的一种光滑化技巧,从而得到了相应的光滑线性支持向量机模型,并给出了求解该光滑线性支持向量机模型的Newton-Armijo算法,该算法是全局收敛的和二次收敛的。     

一种面向机动的低成本姿态测量系统

载体作机动运动时,基于加速度计和磁传感器的姿态测量系统易受载体运动加速度的影响而导致测量精度降低.通过将GPS加速度引入重力观测方程,有效补偿了载体运动加速度造成的姿态测量误差.利用基于重力场和地磁场矢量观测的迭代最小二乘姿态确定算法得到修正罗德里格姿态参数.姿态信息通过互补滤波器与陀螺仪测量值融合以提高动态响应.实验结果表明,该低成本姿态测量系统可明显提高机动环境下的姿态测量精度,姿态角测量误差小于3°.     

MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中应用研究

为了实现惯性导航控制,需获取控制对象的姿态角信息,设计了基于MEMS惯性传感器集成模块ADIS16355的姿态测量系统。该姿态测量系统采用ADIS16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。介绍了ADIS16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程,基于ARMv7架构的Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验,测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在?1?左右。     

MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中的应用

设计了基于微电子机械系统(Microelectro mechanical system,MEMS)惯性传感器集成模块ADIS16355的姿态测量系统。该姿态测量系统采用ADIS16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。介绍了ADIS16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程。基于ARMv7架构的Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验。测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在±1°左右。     

基于三维模型和仿射对应原理的人脸姿态估计方法

该文提出了一种基于人脸三维模型和仿射对应原理从单目视频图像序列中估计人脸空间姿态的方法．其主要思想是利用人脸的三维模型生成特征点正面平行投影,并估算输入帧和该正面平行投影之间的仿射变换参数,然后根据圆一椭圆之间的仿射对应关系得到描述人脸空间姿态的6个参数(3个旋转分量,3个平移分量)的粗略估计值,最后通过基于ICP(Iterative Closest Points：反复最近点)算法的优化迭代过程得到精确值．对石膏像和真实人脸进行的实验结果表明该算法能在较大的姿态变化范围内实现精确的人脸姿态估计．     

基于各点异性理论的椭圆拟合算法

分析椭圆拟合应用中常用算法对噪声过于敏感、抗干扰能力差的缺点,提出一种鲁棒性较强的椭圆拟合算法。采用各点异性回归技术,建立误差与变量有关的(EIV)模型,根据数据矢量观测集合最优地估计线性EIV模型参数和数据矢量真值集合。实验结果表明,该算法精确度高,当初始值与真实值差距较大时,仍然可以快速、稳定地收敛。     

基于陀螺仪的随钻姿态测量新算法

水平定向钻进中钻具姿态的实时测量是实现导向的关键因素。针对已有算法的不足和缺点,采用陀螺仪进行钻具倾角、方位角和工具面向角的测量,推导出了相应的姿态角计算公式。同时针对测量过程中存在的陀螺仪漂移误差,采用四元数全姿态互补滤波算法,利用加速度计和磁强计对陀螺仪进行补偿,给出了详细的理论分析和计算过程。实验结果表明:基于传感器组合的四元数全姿态互补滤波算法能够有效地消除陀螺仪漂移误差,获得的方位角测量精度优于±0.3°。     

基于不变扩展卡尔曼滤波的无人机姿态估计

为解决四旋翼无人机姿态估计问题，提出了一种不变扩展卡尔曼滤波(Invariant Extended Kalman Filter, InEKF)算法，用于同时估计四旋翼的姿态和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)的陀螺仪偏差。利用李群理论和不变观测器设计方法，将算法表述为一个连续时间随机非线性滤波器，其状态空间由直积矩阵李群SO(3)×R³给出，SO(3)中的估计值由IMU对重力矢量和地球磁场向量测量值加以修正。为在无人机上实现该算法，将状态和协方差传播方程离散化。最后，所提滤波算法相对于现有算法的性能优势通过仿真实验得到了验证。     

Powell算法在线性支持向量机中的应用

并行下降方法应用于线性支持向量机时效率较低。针对该问题,提出将Powell算法应用于线性支持向量机,并采用一个全局牛顿算法来求解单变量子问题。在内循环过程中,通过解一个单变量子问题更新w的一个分量,同时固定其他的分量不变;在外循环过程中,根据判断条件,决定是否沿加速方向搜索,以及是否用加速方向替代之前的某一个搜索方向。UCI数据集上的实验结果表明,算法能很快收敛,且分类精度优于并行下降算法和光滑支持向量机。     

有适应力的分布式状态估计方法

为提高智能体系统对攻击的免疫力,研究了测量攻击下的适应力分布式状态估计方法。每个智能体对系统状态进行连续的本地线性测量。由于不同智能体的本地测量模型相互异构,对系统状态可能不具有本地可观测性,且攻击者能够操控部分智能体的测量数据,随意改变其测量结果。而智能体的目标是协同处理本地测量数据,并正确估计出未知的系统状态。因此,该问题的挑战在于在不对真实测量数据和恶意智能体的测量数据进行分辨时,如何设计算法估计得到真实的系统状态。为了解决这个问题,设计了适应性分布式最大后验概率估计算法。在该算法中,只要恶意智能体的数量小于某个特定值,所有智能体都能够收敛到系统状态。首先,根据卡尔曼滤波给出集中式最大后验概率(Maximum A Posteriori,MAP)估计方法,并与分布式一致性结合,进而得到分布式最大后验概率估计方法。然后,考虑到测量攻击,从估计一致性的角度,利用自适应饱和度增益设计了适应性分布式最大后验概率估计方法。最后,通过仿真实验验证算法的有效性。     

定向钻具姿态的双线性补偿控制策略

在地质钻进过程中,钻具运动具有复杂非线性特性,因而很难有效实现钻具姿态的控制.对此,提出一种面向定向钻具姿态的双线性补偿控制策略,以实现对非线性钻具运动的准确控制.首先,通过分析定向钻具运动特性,建立定向钻具的运动模型,针对运动模型存在非线性和耦合特性,利用泰勒展开法和双线性逼近变换技术对钻具运动模型进行变换;然后,运用双线性补偿控制思想扩展局部线性控制范围和优化控制效果.仿真结果表明,所提出的控制策略能够简化定向钻具控制过程,提高定向钻具控制的准确性,具有较好的稳定性.     

基于星敏感器的姿态优化估计算法

对于采用星敏感器的航天器姿态确定问题,提出了一种快速的姿态优化估计方法;首先,根据Rodrigues参数和观测向量之间的线性关系,引入四元数,构造了不同的非奇异的优化准则;其次,借助四元数,求解了基于该准则的姿态优化算法;误差协方差分析和数值仿真结果表明,该算法与著名的QUaternion ESTmation(QUEST)算法相比,在相同的操作系统环境下,具有相同的姿态估计精度,但计算速度更快,对两种算法选取间隔为2000次的仿真步长,统计数据长度为100个采样点,最后对结果加权求平均值,统计结果显示仅为QUEST的三分之一;这种姿态优化估计方法具有一定的工程应用价值。     

Bilinear modelling,control and stability of directional drilling

This paper proposes an approach for the attitude control of directional drilling tools for the oil and gas industry. A bilinear model of the directional drilling tool is proposed and it characterises the nonlinear properties of the directional drilling tool more accurately than the existing linear model, hence broadens the range of adequate performance. The proposed bilinear model is used as the basis for the design of a Bilinear Proportional plus Integral (BPI) controller. The stability of the proposed BPI control system is proven using stability notions for LTI and LPV systems. The transient simulation results show that the proposed BPI controller is more effective, robust and stable for the attitude control of the directional drilling tool than the existing PI controller. The proposed BPI controller provides improved invariant azimuth responses and significantly reduces the adverse effects of measurement delays and disturbances with respect to stability and performance of the directional drilling tool.     

基于红外地平仪的航天器姿态确定技术

卫星的发展趋向于微小型化,研究小型化、廉价、可靠和中等精度的自主导航系统是非常有必要的.本文提出应用红外地平仪的对地定向航天器姿态确定算法.根据卫星姿态动力学模型建立了基于欧拉角的姿态确定滤波模型.利用地平仪测得的姿态信息,通过卡尔曼滤波器可以确定航天器姿态.进一步提出了姿态确定滤波算法.通过仿真实验,分析比较了模型噪声和测量噪声对定姿精度的影响.仿真算例结果表明,红外地平仪定姿方案可以满足中等姿态精度要求,在对地定向航天器自主导航中具有良好的应用前景.     

基于四元数的低成本姿态测量系统设计

针对运动载体姿态测量的需求,以MEMS惯性测量器件MPU6050为核心,设计了一种低成本姿态测量系统.系统采用四元数作为姿态解算的基础,融合陀螺仪和加速度计数据以修正陀螺仪累积误差引起的姿态漂移.为了降低MCU负担提高系统实时性,数据融合采用运算量较小的梯度下降和互补滤波相结合的方法.实验结果表面:此测量系统实时性好,输出姿态角稳定,且成本低,具有一定的实用价值.     

基于重力四元数的陀螺漂移估计与补偿

为提高钻探中的钻具姿态测量精度,提出一种基于重力四元数的MEMS惯性随钻姿态测量方法.采用MEMS惯性器件构建钻具姿态测量系统,把加速度计数据解算的姿态四元数作为观测四元数,陀螺仪数据解算的姿态四元数作为误差四元数;然后将陀螺仪漂移融入误差四元数,建立重力四元数估计陀螺仪误差四元数的模型,采用最小二乘法估计陀螺仪三轴漂移,进而补偿陀螺仪姿态四元数;通过补偿后的姿态四元数解算出钻具姿态.最后设计了转台、振动台实验和钻进模拟实验,实验结果表明,姿态四元数补偿后的井斜角和工具面角漂移由平均10 °/h减小到约0.2 °/h,方位角误差由平均12 °/h减小到约0.46 °/h,实现了加速度计补偿陀螺的三轴漂移,表明该方法能够有效提高钻具的姿态测量精度.     

基于恒星敏感器的姿态确定算法研究

星敏感器是一种精度极高的姿态敏感器。基于恒星敏感器的姿态确定问题,从理论上推导了利用TRIAD算法,QUEST算法和Euler-q算法求解姿态矩阵的公式;以Wahba损失函数为指标,利用确定已知的方向余弦阵、恒星观测矢量及在噪声干扰下的星敏感器的观测矢量,对比研究了各种算法的优缺点。利用一个标准星表,通过仿真计算验证了上述三种算法的正确性和有效性。     

基于GPS的短基线姿态系统研究

设计一套基于全球定位系统(GPS)载波相位测量的短基线姿态系统。给出了系统的硬件结构,研究了一种综合利用QR分解法与卫星基线几何分布的模糊度解算方法,同时,提出了一种非单位向量的四元数姿态解算方法。经过静态和动态实验证明该系统可行。在基线为0.36m的条件下,星历收集完成后在30 s内可以计算出姿态角、偏航角,计算精度可以达到0.5°。     

水平定向对接穿越导向系统设计

水平定向对接穿越技术有效地解决了传统水平定向钻进无法进行长距离穿越,以及含砾石等复杂地层穿越的问题。在已有水平定向钻进工艺的基础上,实现对接穿越的关键在于成功进行导向孔对接。描述了一种水平定向对接穿越导向系统,系统采用三轴加速度计和磁阻传感器作为姿态敏感器件,以轴向磁铁产生的磁场作为对接磁源,介绍了系统的工作原理,以及系统的结构和功能。此系统具有体积小、成本低、精度和可靠性高等一系列优点,适用于水平定向对接穿越的导向。     

地磁组合重力矢量权值的优化算法

利用惯性-地磁测量组合实现载体定姿遇到的主要问题是在载体运动时重力加速度观测精度很低,导致扩展卡尔曼算法在此情形下姿态估计精度非常差。optimal-REQUEST算法功能与扩展卡尔曼算法类似,也适用于惯性-地磁测量组合,但是同样受载体线加速度影响,为了消除这一影响,实时地估计重力加速度矢量的观测精度,并在精度逐步降低时指数衰减其参与新息计算时的权值,进而利用该算法所具有的单矢量姿态更新能力降低姿态估计误差。仿真结果表明,在做平面圆周运动时,如果动态调整重力加速度观测矢量的权值,即使载体线加速度达到200m/s^2,仍然能够保证俯仰角、滚转角及方位角估计误差在2°以内,证明了文中算法的有效性。