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基于深度学习的捷联惯性导航系统初始对准技术研究

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基于深度学习的捷联惯性导航系统初始对准技术研究

作者：邢路然河北工业大学

学位级别：硕士

微机电(Micro Electro Mechanical System,MEMS)捷联惯性导航系统具有成本低、体积小以及功耗低等特点,因此被广泛应用于移动机器人、无人驾驶以及行人导航等各个领域。但是MEMS惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的低精度导... 详细信息

微机电(Micro Electro Mechanical System,MEMS)捷联惯性导航系统具有成本低、体积小以及功耗低等特点,因此被广泛应用于移动机器人、无人驾驶以及行人导航等各个领域。但是MEMS惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的低精度导致导航系统误差在短时间内迅速积累并发散,从而影响导航系统的性能,同时对准精度直接影响系统的导航精度,因此初始对准技术是捷联惯导系统的关键技术之一。本文为提高MEMS捷联惯性导航系统初始对准精度,从而提高系统导航精度,增强环境适用性,针对基于深度学习的捷联惯导系统初始对准技术进行了深入的研究。(1)对采用冗余技术的MEMS惯性导航系统,在确定了系统冗余IMU的几何配置与数量配置方案的基础上,提出了一种基于自动编码器的冗余IMU系统模型构建方案。该方案通过将冗余配置的MEMS IMU数据进行最优估计,实现系统建模。实验结果表明该方法是有效的。(2)针对传统的基于卡尔曼滤波的初始对准方法对外部设备的依赖问题,提出了一种基于深度学习的状态估计初始对准方法。该方法通过搭建的深度学习网络框架进行训练,实现根据IMU数据检测载体零速,同时将其作为参考信息,设计了不变扩展卡尔曼滤波算法进行信息融合,实现初始对准。实验结果表明,所提出的方法是可行有效的。(3)针对传统初始对准中卡尔曼滤波方法的各种限制条件,提出了一种基于深度学习的初始对准方法,搭建了的一维卷积网络框架。通过学习确定导航系统的初始姿态矩阵。最后与基于卡尔曼滤波进行初始对准的传统方法进行了比较,实验结果表明横摇角、纵摇角和航向角误差分别减小了48.88%,36.09%和43.28%,证明所提出的方法是可行有效的。(4)为了进一步验证本文提出方法的有效性与可行性,集成基于自动编码器的冗余IMU系统建模与基于深度学习的初始对准技术,对其进行实验验证。将其与传统方法的实验结果进行对比与分析,结果表明,航向角误差减小了46.18%。

关键词：微机电系统冗余配置捷联惯性导航深度学习初始对准

自适应无迹卡尔曼滤波算法在水下组合导航系统中的应用

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广东海洋大学学报 2024年第4期44卷 121-128页

作者：肖鹏飞许至尊白虎林刘洺辛广东海洋大学船舶与海运学院广东湛江524005 广东海洋大学电子与信息工程学院广东湛江524088

【目的】解决水下组合导航系统中先验噪声与实际噪声分布不匹配时,融合滤波性能下降问题,提高自主式水下航行器导航精度。【方法】提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法(AUKF),在融合算法中引入自适应因子;重构系统状态方程中速度项与状态... 详细信息

【目的】解决水下组合导航系统中先验噪声与实际噪声分布不匹配时,融合滤波性能下降问题,提高自主式水下航行器导航精度。【方法】提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法(AUKF),在融合算法中引入自适应因子;重构系统状态方程中速度项与状态变量的结合方式,解决系统方差不一致问题。通过仿真实验和半物理实验验证该算法的有效性。【结果与结论】与无迹卡尔曼滤波算法相比,在平均位置估计偏差上,AUKF算法的纬度均方根误差(RMSE)降低27%,经度RMSE降低27%,高度RMSE降低25%。AUKF在面对偏差对系统状态的扰动时能够有效抑制滤波发散,从而有效地提高自主式水下航行器的导航精度。

关键词：组合导航无迹卡尔曼滤波自适应因子捷联惯性导航多普勒测速仪

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捷联惯性导航计算机系统架构发展综述

电子产品世界 2023年第2期30卷 33-36页

作者：王猛吴一张宇王萌西安精密机电研究所西安710000

为了满足捷联导航计算机高精度、低成本、低功耗和小型化的要求,本文针对捷联导航计算机进行研究。首先介绍惯性导航的基本概念,引出捷联惯性导航计算机这一概念。然后简单分析了导航计算机的基本工作任务。再从硬件架构上分类列举了五... 详细信息

为了满足捷联导航计算机高精度、低成本、低功耗和小型化的要求,本文针对捷联导航计算机进行研究。首先介绍惯性导航的基本概念,引出捷联惯性导航计算机这一概念。然后简单分析了导航计算机的基本工作任务。再从硬件架构上分类列举了五类不同的硬件实现方式,并分析它们的优势和不足。最后对未来捷联导航计算机的发展进行了进一步展望。

关键词：捷联惯性导航导航计算机 DSP FPGA

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胫骨捷联惯性导航的人员行进距离估计

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2014年第8期47卷 719-727页

作者：汪少初刘开华刘昱天津大学电子信息工程学院天津300072 天津市测绘院天津300381

研究了惯性测量单元(IMU)固连在人员胫骨中间的行走步长计算方案,提出了捷联惯性导航算法中零速率修正(ZUPT)时刻导航参数的重置方法,准确得到了以初始方位角为未知数的三维位移函数表达式,避免二重积分对近似误差的扩散.通过分析人员... 详细信息

研究了惯性测量单元(IMU)固连在人员胫骨中间的行走步长计算方案,提出了捷联惯性导航算法中零速率修正(ZUPT)时刻导航参数的重置方法,准确得到了以初始方位角为未知数的三维位移函数表达式,避免二重积分对近似误差的扩散.通过分析人员行进特性并结合ZUPT时刻胫骨与路面垂直的关系,以每步中垂直地面方向的位移几乎为零作为约束条件,解算另外两个平行地面方向的位移,进而计算每一步的步长.该方法针对不同的人员和行走环境无需修改相关参数,有较好的适应性和通用性.经多人次行走实验验证,行进距离计算误差在8%以内的概率为91%.

关键词：捷联惯性导航零速率修正行人航位推算

激光陀螺捷联惯性导航系统解析对准误差特性分析

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兵工学报 2018年第3期39卷 502-510页

作者：陈河张志利周召发刘朋朋赵晓枫火箭军工程大学导弹工程学院陕西西安710025

为使惯性器件精度满足初始对准要求,对激光陀螺捷联惯性导航系统初始对准的误差特性进行了分析。从解析对准法的增量计算公式出发,采用扰动法推导了惯性器件测量误差带来的对准失准角及其随机特性,并根据姿态角与姿态矩阵之间的关系分... 详细信息

为使惯性器件精度满足初始对准要求,对激光陀螺捷联惯性导航系统初始对准的误差特性进行了分析。从解析对准法的增量计算公式出发,采用扰动法推导了惯性器件测量误差带来的对准失准角及其随机特性,并根据姿态角与姿态矩阵之间的关系分析了对准失准角带来的姿态角误差。通过仿真和试验对理论分析结果进行了验证。研究结果表明:对准误差均值取决于惯性器件的常值误差和载体姿态,与对准时间无关;对准误差标准差和惯性器件的随机游走系数与载体姿态有关,且与对准时间的平方根呈反比。

关键词：捷联惯性导航解析对准增量算法姿态误差随机特性

基于北向陀螺零偏自观测的捷联惯性导航系统双位置初始对准方法

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清华大学学报（自然科学版） 2016年第10期56卷 1066-1071,1078页

作者：彭卓郭美凤张嵘罗寿红清华大学精密仪器系导航工程中心北京100084 中国航天员科研训练中心北京100094

传统捷联惯性导航系统单位置初始对准系统不完全可观测,不可观测的东向陀螺零偏造成航向估计的主要误差。双位置初始对准可以改善系统的可观测性,但一般需要精确的转位机构,不便于工程应用。该文提出一种基于北向陀螺零偏自观测的双位... 详细信息

传统捷联惯性导航系统单位置初始对准系统不完全可观测,不可观测的东向陀螺零偏造成航向估计的主要误差。双位置初始对准可以改善系统的可观测性,但一般需要精确的转位机构,不便于工程应用。该文提出一种基于北向陀螺零偏自观测的双位置初始对准方法,只需陀螺载体在近似水平的任意两个位置停留片刻,从第1位置提取北向陀螺零偏信息传递给第2位置作为观测量,即可提高东向陀螺零偏的可观测度并提高航向对准精度。为了寻找最优转角,提出一种全面可观测度分析方法,将可观测度细分为表征不同条件下同一状态可观测程度的相对可观测度和表征状态收敛速度的可观测阶两部分,利用相对可观测度分析得出最佳转角为±90°,并进行了仿真实验验证。实测实验结果表明:相比于单位置对准,双位置对准将航向误差由0.268°降低到0.041°,并可估计出水平陀螺零偏。

关键词：捷联惯性导航初始对准双位置可观测度

基于尺寸效应在线补偿的旋转捷联惯性导航系统初始对准

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兵工学报 2020年第10期41卷 2016-2022页

作者：常振军张志利周召发徐志浩郭琦火箭军工程大学兵器发射理论与技术国家重点学科实验室陕西西安710025 96902部队北京100015

在旋转捷联惯性导航初始对准过程中,尺寸效应带来的加速度测量误差影响对准精度,为此提出一种基于尺寸效应在线估计与补偿的旋转调制初始对准方法。建立旋转调制初始对准的最优估计模型,并阐述旋转调制对初始对准的误差抑制机理;分析尺... 详细信息

在旋转捷联惯性导航初始对准过程中,尺寸效应带来的加速度测量误差影响对准精度,为此提出一种基于尺寸效应在线估计与补偿的旋转调制初始对准方法。建立旋转调制初始对准的最优估计模型,并阐述旋转调制对初始对准的误差抑制机理;分析尺寸效应对加速度计输出的影响规律,推导出尺寸效应误差数学模型,将内杆臂长度参数扩展至初始对准状态空间,在初始对准最优估计过程中估计出内杆臂长度,同时在滤波模型中补偿尺寸效应误差。对旋转捷联惯性导航系统进行了实验,结果表明,内杆臂长度得到在线估计,通过尺寸效应补偿提高了旋转调制初始对准精度。

关键词：捷联惯性导航初始对准尺寸效应最优估计

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捷联惯性导航传递对准技术研究

捷联惯性导航传递对准技术研究

作者：刘赟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

捷联惯性导航系统是一种推算式导航系统,其性能很大程度上取决于初始对准的精度。传递对准也属于一种初始对准技术,由于空间和成本等原因,捷联惯导系统子惯导的器件精度限制了其自对准的精度,通过借助高精度的主惯导的导航信息,利用主... 详细信息

捷联惯性导航系统是一种推算式导航系统,其性能很大程度上取决于初始对准的精度。传递对准也属于一种初始对准技术,由于空间和成本等原因,捷联惯导系统子惯导的器件精度限制了其自对准的精度,通过借助高精度的主惯导的导航信息,利用主惯导和子惯导之间的导航信息之差能不同程度的反应主、子惯导之间失准角这一特性,通过建立相应的误差模型进行Kalman滤波计算,获得主、子惯导之间的失准角,从而实现子惯导的高精度对准。文章目的在于研究车载和海上环境下的传递对准技术,找到适合两种环境下的传递对准匹配方法,并研究其在实际条件下的对准精度。文章在分析了大量国内外相关研究成果的基础上,选择了目前较为成熟的速度匹配、姿态匹配和速度加姿态匹配传递对准来进行研究。研究了传递对准的误差方程、卡尔曼滤波技术以及传递对准的两种实现方法,研究了三种匹配方式的状态空间模型。结合车载和海上环境的实际机动条件,对三种匹配方式进行了数字仿真。随后设计了基于FPGA和DSP双处理器的传递对准综合信息处理装置,编写了配套的上位机软件,搭建了一套传递对准实物试验平台。通过室内模拟试验、摇摆台试验、车载试验和海上试验对研究结果进行了验证。从数字仿真结果可以得出,速度加姿态匹配的对准速度和精度均要优于其他两种匹配方式,实物试验结果也验证了仿真结果的正确性。试验中,水平安装误差角估计误差均小于2′,在车载试验中,机动结束后的10s内三个姿态的安装误差角都已经收敛。最大的方位估计误差为5.17′。海上试验中,方位安装误差角的最大估计误差为13′,收敛速度取决于海况等级,3级海况下,水平姿态收敛时间在5s左右,方位角的收敛时间小于15s。研究结果表明,在大部情况下,速度加姿态匹配可以有效的实现车载环境和海上环境下的快速传递对准,文章设计的传递对准综合信息处理装置具有安装方便、成本低、功耗小和实用性强等特点。

关键词：捷联惯性导航传递对准卡尔曼滤波误差补偿

捷联惯性导航加速度计动态误差模型在三轴转台上的实验标定

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中国惯性技术学报 1993年第4期1卷 31-34,38页

作者：王卫阳姜复兴哈尔滨工业大学

本文提出了在三轴转台上用双轴速率输入法来估计捷联惯导加速度计动态误差模型参数的方法。该方法基本解决了加速度计动态误差的标定问题,同时也容易实现试验计划的优化设计,以提高模型参数辨识精度。所做工作对于提高捷联惯性导航系统... 详细信息

本文提出了在三轴转台上用双轴速率输入法来估计捷联惯导加速度计动态误差模型参数的方法。该方法基本解决了加速度计动态误差的标定问题,同时也容易实现试验计划的优化设计,以提高模型参数辨识精度。所做工作对于提高捷联惯性导航系统精度、丰富惯性器件测试理论及开发三轴转台的使用功能均有一定意义。

关键词：加速度计三轴转台误差模型动态误差捷联惯性导航实验标定捷联惯导翻滚试验模型参数辨识周世勤