三维空间中的偏振光导航方法

提出了偏振光/GPS/SINS组合导航方法。推导了偏振光辅助测姿原理并进行了仿真验证。提出了多模块改善能观度的方法。采用联邦卡尔曼滤波方法实现了组合导航算法,利用Matlab仿真方式分别对使用单偏振光模块和多偏振光模块的组合导航系统的测姿修正效果和能观度改善效果进行了检验。结果表明偏振光辅助测姿方法的引入能够大大改善导航系统的能观度和精度,非平行观测的多偏振光模块可以进一步提高系统性能。     

基于激光多普勒测速仪的车载组合导航

 针对车载纯捷联惯性导航系统(SINS)导航精度随时间增长而降低的不足,提出了基于激光多普勒测速仪（LDV）这一新型速度传感器的组合导航方案。通过建立SINS/LDV组合导航系统的状态方程和量测方程,设计了系统的卡尔曼滤波器,并对组合导航系统进行了仿真模拟。结果表明：SINS/LDV组合方案能够有效减小SINS导航参数随时间的累积误差,可以实现全自主、高精度导航;当LDV测速精度为0.1%时,组合导航系统的位置精度提高了2个数量级,速度精度提高了1个数量级。     

一种新的GPS/SINS组合测姿模型

针对多天线GPS/SINS组合测姿中存在的精度不够和难以实现的问题,研究了一种新的GPS/SINS组合测姿模型。利用GPS载波相位高精度相对定位技术,在传统“速度+位置”松组合的基础上,加入了基于基线向量误差的姿态量测方程,提出了一种精度较高并且较易实现的GPS/SINS组合测姿模型。基于某飞行仿真航迹对模型的测姿性能进行了数值仿真,并与传统测姿模型进行了对比分析。仿真结果表明,与传统模型相比,新的测姿模型可以显著提高导航系统测姿精度和滤波收敛速度,偏航角、俯仰角测量精度可达0.02°,滚动角测量精度可达0.1°,可为飞行器的高精度组合测姿提供一定的参考价值。     

机载北斗/GPS/SINS组合导航系统软硬件设计

针对单一导航导航系统在导航精度、稳定性、设备成本以及导航信息完备性等方面的局限性,设计了卫星导航/惯性导航组合导航系统。针对GPS导航系统受制于人及北斗导航系统发展尚不完善的特点,提出了基于北斗/GPS/SINS的军用机载组合导航系统软硬件设计。搭建了北斗/GPS/SINS组合导航系统硬件平台,采用基于不确定度的加权平均数据融合算法提高组合导航系统的导航可靠性和准确性。仿真结果表明,该组合导航系统稳定性好,可靠性高,定位准确。     

AR模型辅助SINS／GPS组合导航的实验研究

激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声,可以采用AR（2）模型进行数字滤波来减小其对激光陀螺精度的影响。首先介绍了AR模型,然后利用IMU单元三组陀螺信号的AR（2）模型给出了车载SINS／GPS组合导航系统误差模型,并在GPS的辅助下,对SINS／GPS组合导航进行了实验研究。最后利用Kalman滤波器对车载SINs／GPS组合导航实际测量数据进行了离线的半实物仿真。实验结果表明,采用AR（2）模型辅助的SINS／GPS组合导航系统能够得到较高的姿态精度,并能有效抑制速度误差的发散。     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

基于OMAPL138与FPGA的惯性姿态测量系统设计与实现

为了满足高性能、低成本及多接口的惯导使用需求,设计一种基于OMAPL138 FPGA的大存储空间惯性姿态测量系统。系统设计充分利用OMAPL138的异构双核结构,结合每种处理器应用特点,进行任务划分并构建硬件平台。设计了丰富的外围接口,通过选择接入GPS、北斗或里程计,能够实现多种组合导航方式。根据使用环境提出惯导与里程计组合导航方案和相应软件流程,并进行了姿态精度测量及导航定位精度试验。姿态测量精度优于0.5密位 ,纯惯性导航定位精度为0.3‰ D (CEP),组合导航的定位精度为0.14‰,试验结果表明,系统稳定可靠,硬件平台满足惯导计算机设计需求。     

一种新型GNSS/MEMS紧组合导航系统设计

针对探空火箭在高动态与非线性环境下高精度导航问题,基于DSP6747+FPGA双核构架,设计了一种低成本的新型GNSS/MEMS一体化紧组合导航系统。同时,在直接法滤波的基础上采用了改进的自适应渐消扩展卡尔曼粒子滤波(PF-AFEKF)算法,解决了粒子退化问题并充分利用了当前观测信息以及自适应权重因子抑制了滤波发散,实现了高动态、非线性状态下的GNSS/MEMS深度信息融合。最后,进行了地面跑车试验,试验结果证明了所设计的低成本GNSS/MEMS紧组合导航系统具有较高的导航精度,容错能力强。     

基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法

针对惯性系统(INS)与卫星组合导航容易受到干扰的局限性,为提高海上作战船舰的自主导航能力,提出基于全天域大气偏振光特性辅助定向自主导航方法。在分析全天域偏振光中性点的运动规律的基础上,采用两点一线原理使用中性点确定载体航向角并结合电磁计程仪(LOG)测得的航速信息辅助惯性系统进行导航,采用卡尔曼滤波最优算法对组合导航系统进行了信息融合。matlab仿真结果表明基于全天域偏振光中性点/LOG/INS组合导航方法能够有效抑制INS导航定位误差,使船舰航向角误差稳定在0.6,水平速度误差稳定在0.7 m/s,水平位置误差稳定在10 m,增强了船舰的自主导航性能,并且具有高度的隐蔽性和抗干扰能力,具有一定的军事工程应用价值     

碟式聚光器镜面单元聚焦光斑与位姿误差的关联特性

为实现碟式聚光器镜面单元调焦的定量指导,需要建立镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的唯一定量对应关系。提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差,基于光线跟踪方法建立位姿误差工况的聚焦光斑分布模型,引入聚光比阈值来提取聚焦光斑的特征边界,并采用最小二乘法对特征边界进行椭圆拟合,用于表征聚焦光斑的分布特征。分析了太阳直射辐照值、边界提取阈值、镜面单元位姿误差等对聚焦光斑特征的影响。结果表明,镜面单元位姿误差工况不同时,聚焦光斑的椭圆几何特征具有明显可区分性,用于镜面单元位姿反演具有可行性,为镜面单元调焦系统的搭建提供了参考。     

一种偏振光/双目视觉仿生组合导航方法

针对复杂干扰环境下智能移动机器人自主导航问题,为了实现低成本、高精度、强鲁棒性、完全自主的导航,提出了一种偏振光/双目视觉仿生组合导航方法。首先,设计了图优化紧耦合的组合算法,推导优化函数并将偏振定向传感器/双目视觉传感器的数据融合,然后,搭建仿生偏振定向传感器/双目视觉传感器仿生组合导航实验平台,最后,通过室外汽车搭载实验对该仿生组合导航系统的性能进行了测试,并与传统视觉算法进行了比较。结果显示:航向角精度较传统视觉算法提高了38.9%,位置精度提高了8.9%。该组合导航系统可以减小传统视觉算法航向角误差、提高鲁棒性,而且使用仿生偏振定向传感器实时性好、抗干扰能力强,可以满足室外地面载体导航时的精度和可靠性要求,同时该组合导航系统使用两种仿生导航方式,更加接近生物导航机理。     

激光捷联惯导系统高程通道滤波模型设计

针对传统航位推算算法中里程计俯仰安装误差角难以精确辨识,以及高程通道定位精度较差等问题,提出利用高度计作为辅助手段的激光捷联惯导／航位推算／高度计组合导航算法,并设计了高程通道的滤波模型。该算法基于Kalman滤波最优估计理论,利用气压高度计量测信息对SINS／DR组合系统高程通道进行估计补偿,以达到高程通道精确定位的目的。试验表明,经高度阻尼后系统高程定位精度达到3m。     

四轴飞行器视觉组合导航系统设计与实现

为实现四轴飞行器的自主飞行,设计了该视觉导航系统;采用基于ARM处理器的飞行控制器和导航控制器的双CPU结构,提高了系统的运行速度;飞行控制部分采用四元数解算姿态,运用经典的PID控制设计了X、Y、Z三个轴的PID控制器进行整个系统的飞行控制;导航部分采用不敏卡尔曼滤波(UKF)融合惯导位置和视觉位置,从而给出载体最优位置,提高导航精度;实验结果表明,基于图像和惯性导航的视觉组合导航方式可使导航精度保持在0.5 m内,同时整个系统具有较好的快速性和稳定性。     

单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度,引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接,通过倾角传感器提供的多个角度约束,结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的,并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台,利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3mm,相对于单目视觉测量方法来说,测量精度有了显著提升,可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。     

履带装甲车辆里程计刻度系数在线辨识方法研究

在履带装甲车辆SINS/OD组合导航系统中,里程计的刻度系数对导航结果的精确性有着至关重要的影响。为满足作战部队对履带装甲车辆快速、机动的标定要求,提高SINS/OD车载组合导航系统的导航精度,首先对里程计与惯导系统之间的安装误差角进行了标定。将变遗忘因子最小二乘法与限定记忆最小二乘法相结合,利用GPS的量测速度对里程计刻度系数进行了在线辨识。为检验辨识方法的可靠性,进行了实车实验,利用辨识结果进行了航位推算,并与GPS的定位结果进行了对比。实车实验表明,该辨识方法可以得到较高精度的定位结果,对于车体运动状态及行车路况发生变化等情况具有较强的跟踪性能;对标定路段的路况要求较低,具有很好的工程应用价值,符合作战部队的实际需求。     

硬管式无人机AAR双目视觉导航算法研究

针对硬管式无人机自主空中加油近距编队阶段的相对位置和姿态估计问题,研究了基于双目视觉的相对位姿估计算法。该算法采用Harris方法提取特征点,并对其进行快速匹配,通过Sampson方法三维重构获得特征点在摄像机坐标系下的三维坐标,以重构误差平方和最小为准则建立目标函数,利用单位四元数法求解位姿参数。最后利用仿真平台验证双目视觉位姿估计算法的有效性。结果表明:相对位置误差低于0.1 m,相对姿态误差小于0.5°,其精度满足自主空中加油相对导航性能要求。     

太阳能聚光器镜面单元的支撑-调节结构和位姿校准

为了实现聚光器镜面单元安装误差的快速校准,设计了一种螺纹副与球铰副组合的镜面单元支撑-调节结构,该结构可以实现调节量的准确控制。提出了镜面单元位姿(轴线矢量和顶点位置)的快速测量方法和轴线矢量位姿误差的定量校准方法。首先,应用摄影测量方法确定镜面单元表面的3个特征点(构成三角形)坐标,建立镜面单元位姿、球铰中心与特征点坐标三者关联的数学模型,实现镜面单元位姿的快速测量。然后,结合镜面单元的调焦过程,提出"三转一移"刚体运动(3次绕轴旋转和1次平移)来等效镜面位姿误差,建立镜面单元位姿与螺栓调节量的关联模型,实现镜面单元轴线矢量误差的定量校准。通过SolidWorks软件建立的虚拟调焦实验和室内的金属平板位姿调节实验,验证了本设计的镜面单元支撑-调节结构的便捷性,以及轴线矢量定量校准方法的有效性。提出的镜面单元校准方法不受反射镜几何形状的限制,具有广泛的适用性。     

单目视觉的同时三维场景构建和定位算法

同时场景构建和定位算法是机器人自主导航的重要组成部分.针对传统算法不能应用于室外环境和缺乏定量分析的缺点,提出了一种单摄像机恢复场景三维结构和摄像机位姿的新算法.提出了视频序列关键帧提取方法,降低了运算复杂度;利用特征点对和摄像机内参量计算场景三维结构和关键帧的位姿并提出一种估计关键帧位姿的简便方法;最后,提出一种兼顾优化效果和运算复杂度的自适应光束法平差算法优化场景结构和摄像机位姿,并生成适于机器人导航的数字高程图.室内和室外多种场景下的定量和定性实验结果表明,绕行误差低于4%,该算法能够接近实时准确实现同时场景构建和摄像机定位.     

双护盾硬岩隧道掘进机位姿测量系统

针对隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密测量需求,设计了一种组合式位姿测量系统。系统把单目视觉和激光标靶相结合,在利用激光标靶和全站仪完成掘进机后盾体位姿测量基础上,通过所设计的光学特征点空间分布模型,实现特征点的准确识别,根据特征点之间已知的几何约束关系和摄像机的透视投影模型,进行实时的图像处理和位姿解算,实现掘进机前盾体相对后盾体位姿的非接触式测量。系统建立了光学特征点、智能视觉传感器、激光标靶和全站仪之间的坐标转换关系,搭建了模拟双护盾硬岩隧道掘进机位姿变化的实验平台,并利用全站仪进行精度验证,最终完成掘进机全方位的实时位姿测量。实验结果表明:在30 m×3 m测量范围内,系统测量精度优于5 mm。测量系统具有精度高、抗噪声能力强和实时性好等优点,可满足隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密自动测量要求。     

视觉与倾角传感器组合相对位姿测量方法

针对视觉相对位姿测量问题,提出了一种视觉与倾角传感器组合的相对位姿测量方法,通过在相机和被测物上各放置一个倾角传感器,利用固定倾角传感器所提供的角度信息提供额外的约束来求解n点透视定位(Pn P)问题。介绍了组合相对位姿测量方法的原理,通过仿真实验验证了该方法的正确性,并与现存的Pn P问题求解方法比较,表明提出的方法具有较高精度,并且对噪声具有较强的稳健性,实验结果表明提出的方法对空间15个特征点在x方向和y方向的平均反投影误差均小于0.1 pixel,能够满足高精度位姿测量需求。