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基于点线的视觉惯性导航系统初始化方法

中国惯性技术学报 2024年第5期32卷 463-467页

作者：吴建峰程向红微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096 东南大学仪器科学与工程学院南京210096

视觉惯性导航系统在初始化阶段解算出系统初始位姿、惯性测量单元(IMU)零偏以及单目尺度因子,能极大程度上保证系统收敛。为解决视觉惯性导航系统在点特征缺失环境下初始化效果差甚至失败的问题,提出了一种基于点线的视觉惯性导航系统... 详细信息

视觉惯性导航系统在初始化阶段解算出系统初始位姿、惯性测量单元(IMU)零偏以及单目尺度因子,能极大程度上保证系统收敛。为解决视觉惯性导航系统在点特征缺失环境下初始化效果差甚至失败的问题,提出了一种基于点线的视觉惯性导航系统初始化方法。首先,通过几何方法在滑动窗口内构造了一个基于点线的结构,该结构相比于点结构具有更丰富的先验信息;其次,使用从运动中恢复结构(Sf M)的方法,恢复点线结构的运动状态;最后,以松组合的形式对齐结构的运动状态以及IMU预积分结果,求解出IMU零偏、重力加速度、速度和尺度因子等初始量。实验结果表明:在点特征缺失的公共数据集上,相较于基于点特征的初始化方法,所提方法的均方根定位误差减少6%,初始误差显著降低,同时具有更好的建图结果。

关键词：视觉惯性导航系统线特征初始化

基于变分贝叶斯的容积H_(∞)滤波在无人船载低成本MIMU对准的应用

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科学技术与工程 2024年第11期24卷 4552-4559页

作者：常兴国吴峻东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

无人船在恶劣海况下对其船载低成本微机械惯性测量单元(micro inertial measurement unit,MIMU)进行初始对准,其精度不仅会受到海浪摇摆、浪涌等未知复杂干扰的影响,还会受传感器噪声的影响。针对这一问题,提出基于变分贝叶斯的H_(∞)... 详细信息

无人船在恶劣海况下对其船载低成本微机械惯性测量单元(micro inertial measurement unit,MIMU)进行初始对准,其精度不仅会受到海浪摇摆、浪涌等未知复杂干扰的影响,还会受传感器噪声的影响。针对这一问题,提出基于变分贝叶斯的H_(∞)滤波算法(variational Bayesian cubature H_(∞)filter,VBCH),从而实现在系统噪声或状态方程不确定且系统噪声和量测噪声同时具有“时变”“厚尾”特性情况下的自适应鲁棒滤波。仿真实验表明,随着MIMU噪声的增大以及各项误差系数的不稳定性增强,系统噪声和状态方程逐渐变得不确定,基于卡尔曼滤波的自适应算法逐渐失效,而本文提出基于H_(∞)控制理论VBCH算法则能够继续保持一定的对准精度和算法鲁棒性:对无人船载低精度MIMU的天向对准精度达到1.5°,东向、北向对准精度能达到0.1°。满足无人船大失准角初始对准的要求,具有一定的应用价值。

关键词：无人船对准抗干扰对准低成本MIMU对准 VBCH算法自适应鲁棒滤波

一种室内环境下点线特征综合的RGB-D VO算法

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中国惯性技术学报 2024年第6期 579-585页

作者：程向红刘路辉唐兴邦微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室东南大学仪器科学与工程学院

针对弱纹理场景下点特征提取不足影响同步定位与建图（SLAM）算法定位精度的问题，提出了一种室内环境下点线特征综合的RGB-D视觉里程计（VO）算法。通过跟踪深度信息计算垂直主导方向，基于曼哈顿假设使用线特征来加权搜索两个水平自... 详细信息

针对弱纹理场景下点特征提取不足影响同步定位与建图（SLAM）算法定位精度的问题，提出了一种室内环境下点线特征综合的RGB-D视觉里程计（VO）算法。通过跟踪深度信息计算垂直主导方向，基于曼哈顿假设使用线特征来加权搜索两个水平自由度，提取并优化曼哈顿坐标系；综合场景的结构规律，与点线特征的重投影误差进行联合优化，同时在位姿估计和局部地图优化中对残差引入自适应权重，提高位姿估计精度。实验结果表明，所提算法在ICL-NUIM数据集中的绝对轨迹均方根误差相比于ORB-SLAM2和MSC-VO分别平均减少62.93%、 37.04%，与Planar-SLAM和Manhattan-SLAM精度相当；在TUM数据集中相比于ORB-SLAM2、Planar-SLAM、MSC-VO和Manhattan-SLAM，绝对轨迹均方根误差分别平均减小21.43%、54.40%、35.08%和26.94%；在TAMU数据集中相比于ORB-SLAM2，回环漂移平均减小43.34%。

关键词：点线特征曼哈顿假设视觉里程计

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一种分时差分的频率调制MEMS加速度计

中国惯性技术学报 2024年第6期 598-603+612页

作者：汪鹏黄丽斌丁徐锴东南大学仪器科学与工程学院东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室

为提升MEMS加速度计温度适应性，设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应，将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化，兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点，且采用单个谐振... 详细信息

为提升MEMS加速度计温度适应性，设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应，将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化，兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点，且采用单个谐振器在时间上通过刚度切换进行分时差分，从而降低零偏随温度的漂移。通过实验测得，在10 V调谐电压下，加速度计室温下的零偏稳定性为76.79μg。-40℃～60℃全温范围内经过分时差分后得到的频差全温变化量为-0.072 Hz，相较于单个刚度状态下的谐振频率变化约7.7 Hz，减小了约99%，验证了静电刚度频率调制和分时差分的有效性。

关键词： MEMS加速度计静电刚度频率调制分时差分

LIS模式下基于双主星集合匹配的星图识别方法

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传感技术学报 2024年第2期37卷 234-240页

作者：耿旖堃陈熙源东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室江苏南京210096

为提高折射星图中非折射星的识别成功率,提出了一种大视场星敏感器高鲁棒性星图识别方法。首先,筛选基础星表,实现导航星库均匀化,采用分组快速搜索算法,提高星对角距特征匹配速度。其次,提出一种基于双主星集合的星点匹配算法,通过匹... 详细信息

为提高折射星图中非折射星的识别成功率,提出了一种大视场星敏感器高鲁棒性星图识别方法。首先,筛选基础星表,实现导航星库均匀化,采用分组快速搜索算法,提高星对角距特征匹配速度。其次,提出一种基于双主星集合的星点匹配算法,通过匹配、验证、确认三个阶段,多次检验星点集合中的导航星序号,提高星图识别算法的鲁棒性。仿真结果表明,在星点位置噪声、星等噪声、伪星和缺失星等干扰环境下,所提算法与传统的三角形-金字塔混合算法相比,抗干扰能力更强。在含有6颗折射星的干扰条件下,所提算法的非折射星识别成功率仍高于95.6%,较传统算法识别率提升31%。

关键词：星图识别星光折射导航星表星敏感器

面向多无人车的目标点分配和协同路径规划算法

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仪器仪表学报 2024年第3期45卷 263-274页

作者：谷依田张涛张亮杨泰泓东南大学仪器科学与工程学院南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

针对多智能体路径搜索算法在非指定式多车协同路径规划问题中路径冗长,计算效率低等缺陷,提出协同目标点分配路径规划算法Nutcracker-CBS。首先构建紧耦合目标点分配MAPF框架,实现目标点分配和路径构建的联合寻优;针对目标点分配模块,... 详细信息

针对多智能体路径搜索算法在非指定式多车协同路径规划问题中路径冗长,计算效率低等缺陷,提出协同目标点分配路径规划算法Nutcracker-CBS。首先构建紧耦合目标点分配MAPF框架,实现目标点分配和路径构建的联合寻优;针对目标点分配模块,提出改进的星鸦优化算法,增量式求解分配问题,缩短模块用时;针对路径构建模块,提出改进的MAPF算法,通过回退式约束构建机制,引入避碰路径估计的绕道机制和数据共享底层路径规划机制,提升效率和路径质量。数据集实验中,Nutcracker-CBS时耗相比SOTA算法减少90.37%;目标点分配模块求解耗时减少86.76%;MAPF模块6 s内构建100辆无人车路径,平均路径长度缩短6.058%。实际实验中路径总和与系统运行时长分别减少55.26%和61.29%,提升了多机器人系统的效率,降低了路径长度。

关键词：协同路径规划多智能体路径搜索基于冲突的搜索目标点分配

故障修复增强的抗差滤波PDR/GNSS行人导航方法

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仪器仪表学报 2024年第2期45卷 233-242页

作者：李圣英孟骞姜颖颖王立辉东南大学仪器科学与工程学院南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

针对复杂环境下智能手机卫星信号容易受到干扰而引起组合导航精度降低的问题,提出一种基于故障修复的抗差滤波行人导航方法。该法首先利用等价权因子实时调整观测权值,以有效地减少观测粗差对组合导航精度的影响。其次,针对松组合系统... 详细信息

针对复杂环境下智能手机卫星信号容易受到干扰而引起组合导航精度降低的问题,提出一种基于故障修复的抗差滤波行人导航方法。该法首先利用等价权因子实时调整观测权值,以有效地减少观测粗差对组合导航精度的影响。其次,针对松组合系统没有观测冗余的模型局限性,将抗差扩展卡尔曼滤波检测区间分为无故障、偏离和异常3段。无故障时,不做处理;出现偏离时,对观测值进行降权处理;异常情况下,利用预测新息对故障进行幅值修复,进而修正观测值。实际实验结果表明,当GNSS出现单历元故障时,经典的抗差滤波方法能够有效提高智能手机PDR/GNSS组合导航定位精度,其北向最大误差由7.27 m减小为3.20 m,东向最大位置误差由24.01 m减小为6.60 m;在GNSS出现多历元连续故障时,所提出的故障修复增强的抗差滤波方法相比经典的抗差滤波方法的平均定位误差下降了50%以上。

关键词：行人导航 PDR/GNSS松组合抗差滤波故障修复智能手机

基于自适应强跟踪Kalman滤波的GNSS跟踪环路设计

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传感技术学报 2024年第1期37卷 35-41页

作者：盛开宇陈熙源汤新华闫晣高宁东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室江苏南京210096

为提高GNSS接收机跟踪环路在复杂环境下的跟踪性能,提出一种基于自适应强跟踪Kalman滤波(ASTKF)的跟踪环路,在传统跟踪环路的基础上,以鉴相器输出为观测量进行自适应强跟踪Kalman滤波,滤波结果用于计算导航滤波器的观测量,同时将伪码频... 详细信息

为提高GNSS接收机跟踪环路在复杂环境下的跟踪性能,提出一种基于自适应强跟踪Kalman滤波(ASTKF)的跟踪环路,在传统跟踪环路的基础上,以鉴相器输出为观测量进行自适应强跟踪Kalman滤波,滤波结果用于计算导航滤波器的观测量,同时将伪码频率和载波多普勒频率反馈到码NCO和载波NCO,在ASTKF中使用基于卡方分布的渐消因子计算方法,提升跟踪环路鲁棒性。半物理仿真实验表明,相比于基于Kalman滤波的跟踪环路和基于强跟踪Kalman滤波(STKF)的跟踪环路,所提出方法在水平方向上的位置误差和速度误差减小20%以上,有效提高了卫星导航接收机的定位性能。

关键词：卫星导航自适应强跟踪Kalman滤波渐消因子卡方分布软件接收机

面向地下场景的超宽带导航完好性保护级算法改进

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地球信息科学学报 2024年

作者：徐雯文汤新华潘树国鲍亚川蔚保国东南大学仪器科学与工程学院微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室卫星导航系统与装备技术国家重点实验室

超宽带测距误差分布表明，在存在显著重尾的情况下，高斯混合模型比简单的高斯概率包络更接近经验分布。通过传统的超界分布（Overbounding Distribution）模型获得的保护水平过于保守，会降低系统可用性。为提高系统可用性，提出了基... 详细信息

超宽带测距误差分布表明，在存在显著重尾的情况下，高斯混合模型比简单的高斯概率包络更接近经验分布。通过传统的超界分布（Overbounding Distribution）模型获得的保护水平过于保守，会降低系统可用性。为提高系统可用性，提出了基于高斯混合模型（GMM）的超界框架来处理基于TOA(Time of Arrival)定位的超宽带测距误差样本。首先，结合EM算法获得测距误差的双组分GMM概率密度函数，并修正边界参数，使左右边界均满足双边超界条件，以构建双组分GMM形式的距离域双边超界模型。随后，基于GMM双边超界模型推导出计算位置域保护级（PL）的方法，对距离域的概率密度函数进行卷积以获得位置概率密度函数，求逆运算出PL。最后，开展实验验证应用GMM双边超界模型收紧PL的效果，采集3～93 m范围内的样本数据用于误差模型的构建，真实测试的性能评估表明，基于GMM双边超界模型比传统高斯双边超界模型计算所得的PL减小了20%以上，能够以较小的计算成本收紧PL，增强系统可用性，体现出灵活的高斯混合模型在处理双峰分布时的优越性。

关键词：地下大空间超宽带完好性保护级高斯混合模型超界模型 TOA定位误差建模