基于三子样更新的EKF低成本MEMS姿态估计算法

针对低成本MEMS惯性器件精度较低、噪声较大、存在误差随时间积累而无法满足长时间载体姿态测量的问题,提出一种基于三子样姿态更新的扩展卡尔曼姿态估计算法。该算法结合三子样构造姿态更新四元数作为扩展卡尔曼滤波的状态量,利用当地导航系下重力场、磁场中相关数据通过比例积分控制器完成对角速率误差的一次补偿,同时作为扩展卡尔曼观测信息,完成对姿态四元数的实时校正,以此降低误差随时间积累的影响。为验证算法精度,设计转台静态及车载动态试验,试验结果表明在测试约为400 s的时间内,航向角误差约为5°,俯仰角及滚转角误差低于2°,且无发散问题,满足长时姿态测量要求。     

视觉遮挡下的人体姿态鲁棒估计

针对人体姿态估计中的视觉遮挡问题,提出了一种带有鲁棒卡尔曼滤波(RKF)的人体姿态估计方法。首先,采用随机森林方法(RFM)从深度图像中识别出人体各部件,并计算出人体各关节点在相机坐标系下的3D位置;其次,考虑到视觉自遮挡或遮挡引起的人体部件误识别,设计了一种鲁棒的卡尔曼滤波器,利用假设检验的方法对视觉遮挡造成人体姿态信息中包含的复杂噪声进行识别和分类,以提高人体姿态估计对视觉遮挡的鲁棒性。最后,通过仿真结果以及多个人体关节点的3D位置估计实验表明,所提方法可有效提高人体姿态估计的精度和鲁棒性。     

基于UKF信息融合的多旋翼飞行器姿态估计

姿态估计是多旋翼飞行控制的基础,为实现多旋翼三轴姿态估计,构建了基于MEMS陀螺、加速度计和磁力计的低成本姿态测量系统.该系统采用STM32F103作为控制器,集成加速度计和陀螺仪MPU6050,磁强计HMC5883作为测量传感器.针对多旋翼飞行器单一传感器无法准确测量姿态信息的问题,提出了基于无迹卡尔曼滤波信息融合的姿态估计算法.以陀螺仪为状态矢量,加速度计和磁强计解算的姿态角为观测矢量,无迹卡尔曼滤波器将陀螺的良好动态性能与加速度计、磁强计的良好静态性能结合起来,提高姿态测量精度,具有良好的动态跟踪性能.通过飞行测试,与高性能成品飞行器的姿态信息做对比,验证和分析该低成本姿态测量系统的有效性.实验结果表明,基于无迹卡尔曼滤波的姿态测量系统实现了动态环境下低成本多旋翼的精密姿态测量,为无人机自主飞行控制奠定了基础.     

基于修正EKF的微小型飞行器姿态估计

分析了常用飞行姿态估计方法在微小型飞行器上应用的局限性,针对基于微机电系统(MEMS)惯性器件的姿态测量方案,构建了以MEMS陀螺仪姿态矩阵解算为状态更新、以MEMS加速度计重力矢量解算为观测更新的扩展卡尔曼滤波器(EKF),推导了相应的卡尔曼滤波方程.为了提高该滤波器抵抗机动加速度干扰的能力,设计了基于M估计的新息修...     

基于MEMS传感器的高精度姿态角测量研究

针对传统姿态参考系统姿态解算容易受到载体运动加速度的干扰,导致系统精度变低、稳定性变差等问题,提出一种改进的卡尔曼滤波算法。该算法建立基于四元数的惯性系统姿态解算数学模型,并根据载体运动加速度的大小,适时调整卡尔曼滤波器的量测噪声方差的大小,以此减弱卡尔曼滤波过程中运动加速度对姿态角解算精度的影响。采用MEMS三轴陀螺仪、加速度计和磁阻传感器完成载体在电梯升降过程中的测量,对实验测量数据进行姿态解算,结果表明改进后的卡尔曼滤波算法能够有效减小运动加速度对姿态解算的影响,姿态角的均方根误差相对于传统的姿态参考系统降低约40%。     

基于MEMS惯性传感器的微型姿态测量系统

提出了一种基于低成本MEMS惯性传感器的微型姿态测量系统,包括MEMS速率陀螺、MEMS磁强计、单轴MEMS加速度传感器.重点研究了基于扩展Kalman滤波（EKF）的姿态估计创新算法,通过速率陀螺更新误差状态四元数计算姿态角,并通过飞行方向的加速度传感器和三轴磁强计来补偿陀螺漂移和姿态角误差,利用扩展卡尔曼滤波方程消除瞬时干扰,实现高动态姿态测量.系统的仿真和高动态实验表明,姿态测量动态精度低于5°,静态精度低于0.7°.     

GPS航向与姿态测量系统定点测试分析

为了将GPS航向与姿态测量系统有效地应用于舰船的姿态测量领域,根据GPS航向与姿态测量系统的特点,设计并开展了针对Beeline系统的定点测量实验,总结归纳了其在定点使用中的特性,指出了在自主开发GPS航向与姿态测量系统时应该注意的关键问题.测试结果表明,GPS航向与姿态测量系统测量精度高,利用GPS信号进行航向与姿态测量具有较为广阔的应用前景.     

A new method for the combination of GPS and MEMS inertial sensors

提出了一种新的GPS/MEMS微惯性器件组合方法,并根据组合结构的需求.设计了基于载体机动模型和卡尔曼滤波器的GPS信息滤波算法来获取由于载体轨迹机动引起的加速度,从而对基于MEMS微惯性器件的姿态测量算法进行载体机动性补偿,得到的姿态信息对GPS信号失锁不敏感,避免了传统GPS/INS组合方式在无GPS辅助时由于MEMS器件精度低而导致的姿态误差快速、无限增长的问题,而且运算量小,适合在微小型系统上实现.跑车试验表明,该新组合算法与传统GPS/INS组合相比,姿态精度略有下降,但远好于未作机动性补偿的MEMS微惯性器件的姿态测量算法.     

基于机动性补偿的GPS/MEMS微惯性器件组合方法

提出了一种新的GPS/MEMS微惯性器件组合方法,并根据组合结构的需求.设计了基于载体机动模型和卡尔曼滤波器的GPS信息滤波算法来获取由于载体轨迹机动引起的加速度,从而对基于MEMS微惯性器件的姿态测量算法进行载体机动性补偿,得到的姿态信息对GPS信号失锁不敏感,避免了传统GPS/INS组合方式在无GPS辅助时由于ME...     

基于GPS与惯性组件的复合测姿系统设计

针对微小型载体空间有限而无法安装大型测姿系统,提出了一种低成本的微型复合测姿方案.复合测姿系统由单天线GPS和MEMS惯性组件构成.利用扩展卡尔曼滤波将单天线GPS和MEMS惯性组件信息融合,提高了姿态估计精度.室外车载实验结果表明,利用该复合测姿系统解算的滚角和俯仰角误差可控制在1°以内,航向角误差可控制在2°以内.     

用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法

针对MEMS陀螺、加速度计、磁强计组合的姿态确定系统,笔者设计了用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法．取姿态误差四元数和陀螺随机漂移构建滤波状态向量,通过误差四元数微分方程和陀螺随机误差模型建立了卡尔曼滤波状态方程;采用改进的高斯-牛顿算法将传感器观测量转化为四元数,通过与利用陀螺信息估计的四元数相乘,得到姿态误差四元数作为卡尔曼滤波量测值,显著减小了机动加速度对姿态估计的影响．仿真实验显示：四元数静态估计误差小于0．22％,在动态情况下,四元教估计值能够较好地跟踪真实值的变化,表明该滤波算法能够有效提高姿态估计的精度．     

Robust positioning technique in low-cost DR/GPS for land navigation

This paper describes a dead-reckoning (DR) construction for land navigation and sigma-point-based receding-horizon Kalman finite-impulse response (SPRHKF) filter for DR/GPS integration system. A simple DR construction is adopted to improve the performance of both pure land DR navigation and DR/GPS integration system. In order to overcome the flaws of the extended Kalman filter (EKF), the sigma-point KF (SPKF) is merged with the receding-horizon strategy. This filter has several advantages over the EKF, the SPKF, and the RHKF filter. The advantages include the robustness to the system model uncertainty, the initial estimation error, temporary unknown bias, etc. The computational burden is reduced. Especially, the proposed filter works well even in the case of exiting the unmodeled random walk of the inertial sensors, which can occur in the microelectromechanical systems' inertial sensors by temperature variation. Therefore, the SPRHKF filter can provide the navigation information with good quality in the DR/GPS integration system for land navigation seamlessly.     

基于组合方式的掘进机导航系统研究

掘进机时走时停的迈步式工作特点导致其难以实现定向掘进,这一直是国内外面临的技术难题。为实现煤矿巷道掘进机的位姿测量,提出一种基于组合方式的掘进机导航系统（即组合导航系统）。首先,以十字激光指向仪的激光束为识别特征,结合自主研制的激光接收标靶,组建光电传感器导航系统,并构建掘进机机身位姿解算模型;然后,通过递推最小二乘（recursive least square, RLS）算法将光电传感器导航系统和光纤惯性导航系统的测量数据融合,解算出掘进机机身的位姿;最后,根据掘进机机身位姿的测量结果,通过PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器)实现掘进机的纠偏控制,以有效解决其定向掘进问题。以MB670型掘锚一体机为实验对象,通过现场实验对所设计的组合导航系统进行测量误差分析。结果表明：该组合导航系统可以有效实现煤矿巷道掘进机机身的位姿测量;掘进机机身的位置测量误差在±20 mm以内,姿态角测量误差在±0.15°以内,满足煤矿巷道施工精度要求。基于组合方式的掘进机导航系统具有精度高、可靠性好的优点,弥补了单一导航系统的测量缺陷,可为掘进机的定向掘进智能...     

Huber-based unscented filtering and its application to vision-based relative navigation

A new algorithm called Huber-based unscented filtering (UF) is derived and applied to estimate the precise relative position, velocity and attitude of two unmanned aerial vehicles in the formation flight. The relative states are estimated using line-of-sight measurements between the vehicles along with acceleration and angular rate measurements of the follower. By making use of the Huber technique to modify the measurement update equations of standard UF, the new filtering could exhibit robustness with respect to deviations from the commonly assumed Gaussian error probability, for which the standard unscented filtering would exhibit severe degradation in estimation accuracy. Furthermore, contrast to standard extended Kalman filtering, more accurate estimation and faster convergence could be achieved from inaccurate initial conditions. During filter design, the global attitude parameterisation is given by a quaternion, whereas a generalised three-dimensional attitude representation is used to define the local attitude error. A multiplicative quaternion-error approach is used to guarantee that quaternion normalisation is maintained in the filter. Simulation results are shown to compare the performance of the new filter with standard UF and standard extended Kalman filtering for non-Gaussian case.     

一种适合于月球车的长距离自主导航方法

针对月球车自主导航系统的特殊要求,设计了一种月球车长距离自主导航方法.该方法首先依据惯性导航和天文学的基本原理建立月球环境下惯性导航系统的姿态、速度和位置误差方程,然后针对捷联惯性系统平台失准角较大的问题,引入里程计测量的速度信息与球面天文三角公式,共同构建量测方程,由于建立的系统状态方程和量测方程均为线性方程,所以采用卡尔曼滤波实现月球车位姿信息的最优估计.最后,对这一导航方法进行了仿真研究,仿真结果表明,该方法具有更高的位置和姿态估计精度,同时可有效提高系统的稳定性和可靠性,是解决月球车自主导航问题的一种有效而实用的自主导航方法.     

一种水下GPS系统及其在蛙人定位导航中的应用

研究了一种适用于蛙人导航的水下GPS系统。针对蛙人执行水下任务所需的高精度导航,提出了一种由主动声纳浮标作为定位基站的GPS定位系统,介绍了该系统基于延时测量的定位原理和求解方法,给出了Kalman滤波器和扩展Kalman滤波器的设计,并通过数值仿真进行了验证,结果表明：为提高定位精度,在定位解算的基础上进行滤波平滑是必要的。     

A New Optimized Algorithm with Nonlinear Filter for Ultra-Tightly Coupled Integrated Navigation System of Land Vehicle

The extended particle filter (EPF) assisted by the Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy logic adaptive system (FLAS) is used to design the ultra-tightly coupled GPS/INS (inertial navigation system) integrated navigation, which can maneuver the vehicle environment and the GPS outages scenario. The traditional integrated navigation designs adopt a loosely or tightly coupled architecture, for which the GPS receiver may lose the lock due to the interference/jamming scenarios, high dynamic environments, and the periods of partial GPS shading. An ultra-tight GPS/INS architecture involves the integration of I (in-phase) and Q (quadrature) components from the correlator of a GPS receiver with the INS data. The EPF is a particle filter (PF) which uses the extended Kalman filter (EKF) to generate the proposal distribution. The PF depends mostly on the number of particles in order to achieve a better performance during the high dynamic environments and GPS outages. The T-S FLAS is one of these approaches that can prevent the divergence problem of the filter when the precise knowledge on the system models is not available. The results show that the proposed fuzzy adaptive EPF (FAEPF) can effectively improve the navigation estimation accuracy and reduce the computational load as compared with the EPF and the unscented Kalman filter (UKF).     

小波变换与卡尔曼滤波结合的RLG降噪方法

针对激光陀螺随机游走噪声其非平稳和非正态分布的特性,提出了基于小波变换的卡尔曼滤波的RLG降噪方法,该方法既具有小波变换对自相似过程的去相关作用和多分辨分析的功能,同时又保持了卡尔曼滤波器对未知信号的线性无偏最小方差估计的特点,实现了激光陀螺随机游走噪声的实时多尺度分解和最优估计。实测激光陀螺零偏信号去噪的结果表明,基于小波变换的卡尔曼滤波器使随机游走噪声的标准差降低了10.3%,降噪效果优于传统的卡尔曼滤波器。     

向小天体着陆的自主导航研究

研究了空间飞行器向小天体着陆阶段基于导航相机和激光测距仪的自主光学导航方案。采用扩展卡尔曼滤波方法设计了导航滤波器。利用数值仿真验证了其系统性能，并着重分析了测量误差、初始状态误差、参数误差等各种误差源对导航滤波器的影响。仿真表明滤波器的性能对目标天体的自旋角速度误差较为敏感。