基于多源信息融合的行人航位推算室内定位方法

传统行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)定位技术存在严重的误差累积问题。针对因航向偏差引起的误差累积,提出一种借助建筑几何信息实现行人航向的实时补偿方案,通过提高定向精度来抑制定位误差的累积传递。分析利用外源绝对位置改善PDR定位结果,试验一种自适应模型噪声的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)滤波算法,实现PDR与WIFI定位源的滤波融合。通过实验对比分析,基于改正航向的PDR相较于传统PDR,有效抑制了误差的累积,将整体误差控制在5 m左右;传统PDR与WIFI源滤波融合,比单纯传统PDR提高了82.8%的精确度;航向改正PDR与WIFI源相融合,则比单纯传统PDR和航向改正PDR分别提高了90.2%和49.5%的精确度。结果表明:补偿改正航向和借助外源绝对位置滤波融合均可有效控制传统PDR的误差累积,根据条件约束可知航向改正PDR及其与WIFI源融合方案较适用于规则室内环境,而原始航向PDR与WIFI源融合方案则不受室内结构影响,在多次滤波后逐渐提高行人定位精度,从而可满足行人室内定位精度需求。     

基于MEMS-MARG传感器的消防员室内定位算法

针对消防员在室内环境中进行灭火和救援时难以获知自身位置坐标的问题,采用MEMS-MARG传感器设计了一种室内定位算法。首先,根据加速度幅值波形使用峰值探测法和零点交叉法相结合的方式进行步数检测。然后,通过对消防员的行走路线进行分类,设计了一种基于直线判断辅助的航向反馈修正算法来提高定位精度,并将扩展卡尔曼滤波器融入到行人航迹推算算法中,用于估计消防员的位置坐标。最后,分别按照矩形、三角形、半圆形轨迹,进行了3组实验。实验结果表明,与未使用航向修正算法相比,位置误差减小了45%以上,航向角和位置的均方根误差分别减小了65%和76%以上。所提出的消防员室内定位算法具有良好的定位性能。     

IMU辅助的室内单星定位方法

惯性导航系统(INS)是以惯性器件测量位置参数的定位系统,但随着时间的累积,系统的定位精度逐步变差,产生累积误差现象。基于无线传感器网络(WSN)的定位技术通常需要3个锚节点进行定位,但在室内复杂环境中,系统会处于锚节点欠定状态,此时需要辅助定位方法解决室内欠星定位问题。针对上述定位系统的不足,提出了一种基于IMU辅助和场景分析的多信息融合室内单星定位方法,该方法可通过场景分析的约束条件逐步消除IMU在室内环境下的累积误差效应,并通过单星定位技术进一步优化定位目标的位置信息。经过地下车库实验验证,本方法平均定位精度是0.75 m,定位误差有97.5%的概率在2 m以内,能满足室内亚米级高精度导航定位的要求。     

基于腰部MEMS-IMU的室内行人导航航向反馈修正算法

航向角误差随时间累积是采用惯性技术实现行人定位系统中影响导航精度的主要因素。通过典型建筑结构和行人行走特征的分析,提出一种室内行人导航航向反馈修正算法。根据行人是否在主方向上直行,区分在两种直行情况下的航向反馈条件,构建航向差值作为状态量进行自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF),并运用反馈航向值参与四元数解算,从而减少航向误差的累积。嵌入式消防单兵定位系统平台的实验验证表明:提出的航向反馈修正算法与不反馈时相比,能够精确解算航向的时间增加两倍以上,且导航误差在1%以内,适应环境能力也较强。     

基于分布式协同导航的行人三维惯性SLAM方法

针对仅依赖惯性传感器数据进行零速修正的行人航位推算方法导致室内行人协同导航定位累计误差较大的问题,提出了一种三维环境下的分布式行人协同惯性SLAM方法。在行人间初始相对位姿未知的情况下,通过蓝牙检测相遇,使用基于奇异值分解的最小二乘方法求解行人间位姿的刚性变换;然后构建基于三维占用栅格的惯性SLAM地图,通过优化联合后验概率分布获得行人位姿与地图的最优估计,减小系统的累计误差;同时构建了一个分布式协同SLAM框架,使得每个行人的定位系统都能够独立运行。实验结果表明,所提出的算法能有效提升三维惯性行人协同导航系统的定位精度,在大约2000?m2、总长2000?m的多楼层双人协同实验中,算法的平均定位误差为1.22?m,与传统零速修正方法相比,定位精度提升80%以上。     

自适应步长约束的双脚MIMU行人导航系统误差修正方法

针对GPS信号遮挡严重的室内环境下基于微惯性测量单元(MIMU)的行人导航系统导航定位误差随时间不断累积的问题,研究利用行人运动学特性建立双脚间步长约束的导航误差修正算法。将两个MIMU分别固定在行人双脚上,通过步态特性分析和零速区间检测,构建了结合单脚零速修正与双脚间步长约束的误差修正模型;通过加速度计输出数据推算步长实现约束的自适应调节,提高行人步态发生变化时的误差修正效果。实际行走实验结果表明,步长变化情况下,利用所提出方法推算步长的误差率在5.8%以下,修正后双脚位置误差相比固定步长约束减小约46.43%,轨迹更加符合实际。     

基于WiFi/PDR的室内行人组合定位算法

对当前室内行人定位算法进行了研究。针对WiFi定位稳定性差的问题,提出了一种改进的K最近邻(Improved K-Nearest Neighbor,IKNN)算法。针对行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)算法中步长模型及航向估计不准确的问题,提出了一种实时更新的步长模型及基于室内环境特征的航向估计算法。在改进的WiFi定位算法与PDR算法的基础上,提出了一种基于自适应粒子滤波的室内行人WiFi与PDR组合定位算法,通过自适应因子自动调节观测量对粒子分布的影响。通过智能手机在实际室内环境中对定位方法进行了测试,实验结果表明:组合定位系统定位精度为0.66 m,高于普通的粒子滤波算法,是一种准确高效的室内行人定位算法。     

足绑式行人导航偏航角误差自观测算法（英文）

基于低成本MEMS惯性传感器的足绑式惯性导航系统(INS)和零速修正(ZUPT)算法广泛应用于行人导航中。由于MEMS惯性传感器零漂误差较大,零速修正时偏航角误差的可观测性差,INS偏航角误差不能被有效约束,成为行人导航的主要误差源。行人徒步行走特别是在室内楼道等结构化道路上行走时,行走的轨迹大多情况下可认为是近似直线,基于这个事实,提出了一种减小偏航角误差的算法,称为偏航角误差自观测(YESO)算法。当判定行人以近似直线徒步行走时,由行走轨迹计算出的航向角可近似认为是一个常值,那么由于各种误差引起该航向角发生变化时,可以将该变化量作为足绑式INS偏航角误差的观测量,进一步可利用卡尔曼滤波器估计出偏航角误差,对足绑式INS的偏航角进行校准。在室内楼道进行了约350 m的现场实验,实验验证了YESO算法的有效性。实验结果表明,当分别采用ZUPT和ZUPT+YSEO算法进行导航解算时,航向角误差从-29°减小到-2°,南北向最大位置误差从-35.5 m减小到-5.2 m。YESO算法的实现仅依靠系统自身的信息,没有增加额外的传感器,算法具有很好的工程实用价值并能方便地推广应用于车辆导航等领域。     

基于人体多方位运动的三维自主导航定位算法

基于MEMS传感器的行人导航通常利用行人航迹推算算法解算出人体位置的坐标对行人定位。传统行人航迹推算算法只能用于单一前进行走运动模式,不适用于人体实际的多方位运动模式。因此,提出了一种多方位运动三维自主导航定位算法,利用三轴加速度计数据对行人进行步态检测和步长估计,在分析了加速度计单轴数据的基础上,讨论了4类运动模式的识别方法,推导出适用于人体多方位运动模式的航迹推算公式。在智能手机平台上进行测试验证,实验结果表明,所提出的多方位运动模式自主导航定位算法在人体实际运动中,定位误差小于3.2%,很大程度上提高了导航精度。     

多运动状态下自适应阈值步态检测算法

多种运动状态情况下,由于对步行者航位推算系统中步态检测不准确,导致推算定位误差增大。针对上述弊端,提出了多运动状态下自适应阈值步态检测算法。首先,通过改进的多阈值的步态检测算法,改善支撑区间检测的准确性。然后利用随机森林算法识别站立、走路、跑步、上楼和下楼等五种常见的室内运动状态,自适应匹配相应的步态检测的阈值,以实现多运动状态下的精准步态检测,提高行人航位推算系统精度。实测结果证明,相对于传统固定阈值检测算法,该算法平面定位精度提升33.1%,步态检测精度提升89.4%。     

船舶动力定位系统

随着深海技术的不断发展,动力定位系统的在海洋工程上得到广泛应用。动力定位系统通过其控制系统驱动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力,从而使船舶保持在确定的位置上或沿预期的航迹航行。本文在分析了国际海事组织和国际海洋工程承包商协会对动力定位系统定义及分级要求的基础上,阐述了国外船舶动力定位系统的发展及其应用状况,分析了动力定位系统的组成和工作原理,研究了动力定位系统的各种约束、控制策略、控制技术、推力分配等关键技术,指出动力定位系统精度取决于控制系统和测量系统性能,并提出了发展国产动力定位系统应采用的途径。     

一种提高车载定位定向系统定位精度的方法

在车载定位定向系统中,通常采用停车修正或引入GPS等外信息校正系统,这会降低陆地武器装备的战场生存能力和自主性。基于上述情况,分析了惯导系统以及与里程计构成的航位推算系统的误差模型,得出了惯导系统短时间内定位精度高以及航位推算系统定位误差随时间增长缓慢的规律。据此推导并提出了一种提高系统定位精度的方法,该方法不需要停车或外部信息,首先利用惯导系统对航位推算系统进行校正,估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差并进行补偿;之后利用航位推算系统对惯导系统进行校正;采用加权函数对系统位置输出进行加权优化处理。理论分析和仿真实验表明利用此方法在2 min内能估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差,估计精度在90%以上;加权后的位置输出精度在0.2%D(D为里程)以上。     

基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统

针对纯惯导系统误差发散和无线电信号在水下衰减快从而无法精确定位的问题,设计了一种基于声学浮标辅助惯导的水下定位系统,该系统由惯导系统和声学定位系统组成,其中声学定位系统由若干个浮标构成水听器阵,浮标的经纬度坐标由GPS提供,浮标完成对接收到的声源信号的处理,利用互相关测时延差的方法来进行定位。由于水下噪声、混响等因素会造成接收到的多路声信号出现模糊互相关峰,因此对接收信号应进行频域加权处理。最后利用声学系统的定位信息来校正惯导的误差。仿真结果表明:与基本互相关方法相比,加权处理能有效提高时延差的精度,所提出的惯导和声学浮标辅助设备导航系统能够使定位误差小于2 m,保证了水下航行器能够长时间在水下航行。     

城市车辆综合导航定位系统

为了解决香港等大城市的车辆连续高精度定位问题,设计了一种基于GPS的多传感器组合定位系统。由于城市高楼密集等情况会出现GPS盲区,且多路径效应影响较大,单纯的GPS导航定位难以满足使用要求。GPS与航位推算（DR）的组合导航系统只能实现短时间内的高精度定位,将GPS／DR与地图匹配（MM）、数字信标（DB）组合构成综合导航定位系统可有效解决城市车辆的导航与定位问题。该系统采用MM结果修正DR系统累积误差,采用神经网络实时辨识导航系统中的GPS多径误差。在香港特区的大量现场试验表明,该系统定位精度优于20m,运行稳定可靠。     

Costas环在无线扩频定位系统中的应用技术研究

分析了扩频定位系统中载波恢复和数据解调数学模型，设计了环路中应用的Butterworth低通滤波器和产生正交两路信号的Hilbert变换滤波器，在Simulink中建立了Costas环仿真模型。结果表明：该Costas环能够准确地实现扩频定位系统的载波恢复和发送端数据解调输出，理论仿真和实际工程实验基本一致。     

改进的粒子滤波在列车组合定位系统中的应用

为了克服粒子退化现象,将奇异值分解Unscented卡尔曼滤波（SVD-UKF）和粒子滤波相结合,利用SVD-UKF得到粒子滤波的重要性分布,提出了一种改进的粒子滤波算法。该算法将最新观测信息引入到状态估计中,不但使估计精度优于常规的粒子滤波,而且继承了奇异值分解数值稳定性好的优点,因而具有较强的鲁棒性。将该算法应用到列车组合定位系统,与经典粒子滤波进行仿真比较,结果表明,提出的改进粒子滤波算法导航定位精度高,算法稳定性好。     

一种SINS/超短基线组合定位系统安装误差标定算法

超短基线设备由于尺寸小,使用灵活,在水下导航定位中常与惯性设备进行组合导航。为了标定出超短基线坐标系与载体坐标系之间存在的安装误差,提出了一种基于小角度近似的安装误差标定算法。首先,确定应答器的位置,再对安装误差角对应的姿态矩阵进行小角度近似,最后利用最小二乘法直接计算得到安装误差。通过仿真验证,在斜距误差为0.5%的条件下,航向安装误差角的标定误差比传统方法至少减少了32.8%。江试实验进一步表明,安装误差标定前后定位误差减小了76%。所提出的算法可以较好地减小导航定位误差,具有一定的工程应用价值。     

基于超短基线水声定位的USV/UUV协同导航方法

针对无人水下航行器(UUV)与无人水面艇(USV)协同作业时水下导航性能受惯导设备(INS)影响较大的问题,提出了一种基于超短基线水声定位(USBL)的USV/UUV协同导航方法。首先,以USV上的高精度INS和GNSS组合后的导航结果作为基准,利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态,再结合UUV的INS误差方程,建立了INS/GNSS/USBL/INS滤波的状态方程和观测方程,实现了多源导航信息的融合,有效提升了UUV水下导航精度。其次,针对USV和UUV航行过程中USBL因存在信号盲区带来的两者无法通信、定位导致协同导航不稳定的问题,采用基于视线法的PID控制方法实时改变USV的航向和航速,保证了USV、UUV航行过程中两者始终处于水声信号有效的通信、定位距离和角度范围内。仿真和海上实验结果表明,UUV在与USV协同导航后的位置误差小于10 m;USV和UUV航行过程中,相对距离和角度保持在设定的USBL有效通信定位距离和角度范围内,距离误差小于15 m,角度变化小于1°,提出的方法可以使USV和UUV协同导航更稳定、连续。     

陆用定位定向系统定位精度标准检测线设计

定位定向系统是自行火炮的核心设备,其定位精度直接影响火控系统射击诸元计算的准确性,是关键的战术技术指标。针对定位定向系统的定位精度在不同路线上的试验结果表现出的较大差异且陆用定位定向系统鉴定领域检测线不规范等问题,研究定位定向系统的定位误差产生机理,根据里程计标度因数误差和航向角误差这两种主要误差与定位误差定量关系,分析检测路形、路况对定位精度的影响,并通过行车实验验证了理论分析的准确性。考虑到建造成本和试验成本的实际问题,同时兼顾测试效率和工程可实现性,设计了一条简洁等效定位精度标准检测线,提出了定位定向系统定位精度试验场建设方案和选取最优原则,为科学鉴定定位定向系统的定位精度提供理论依据。     

Precision motion control of a piezoelectric cantilever positioning system with rate-dependent hysteresis nonlinearities

Nonlinear Dynamics - The study proposed a feedforward– feedback combined architecture to control a piezoelectric motion system with rate-dependent hysteresis nonlinearities. First, the...