视觉/惯性组合导航技术发展综述

视觉/惯性组合导航技术是自主导航领域的重要研究方向之一。首先介绍了视觉/惯性组合导航技术的发展概况,然后从纯视觉导航(里程计、同步定位与构图)以及组合导航(滤波、非线性优化)2个层次介绍了传统的基于视觉几何与运动学模型的视觉/惯性组合导航方法,还介绍了近年来发展迅猛的基于机器学习的视觉/惯性组合导航方法。最后,简要介绍了视觉/惯性组合导航技术的典型应用及未来发展趋势。     

惯性/里程计组合导航技术在管道定位中的应用

石油天然气管道担负着油气传输的重任, 定期对传输管道检测能使其安全、高效地运行。为此设计了管道导航定位系统,用于对管道探伤位置的精确定位。管道导航定位系统主要由激光捷联惯性导航系统与里程计组成,搭载在管道检测设备中。通过测量、存储检测过程中的传感器信息,在检测结束后离线处理数据,得到管道导航定位信息。通过对惯性/里程计分别进行误差分析与建模, 搭建了组合导航系统卡尔曼滤波器模型, 进行了跑车试验与实际管道定位试验。试验结果表明该惯性/里程计组合导航管道定位精度满足管道高精度定位要求。     

惯导/北斗/里程计一体化紧组合导航方法研究

当前,主要通过采用惯导/卫星导航组合或者惯导/里程计组合的方式来实现车辆的定位定向;卫星信号良好时,惯导系统与卫星导航组合实现车辆定位定向,当卫星导航信号不好甚至没有信号无法正常工作时,惯导系统与里程计组合实现车辆定位定向。提出一种惯导/卫星导航/里程计三者的一体化组合方案,针对惯导、北斗、里程计这三项测量设备构成的组合系统建立了统一的误差状态模型、组合量测模型以及反馈修正模型,并通过卡尔曼滤波器来实现三者的一体化紧组合,这种惯导/北斗/里程计一体化的紧组合方式,能更好地实现三者信号之间的充分交流与融合。将这种一体化紧组合方法与传统的惯导/北斗组合、惯导/里程计组合方法进行了仿真比较,结果表明：惯导/北斗/里程计一体化的紧组合方法能更加快速、准确得到传感器误差（ 包含惯组误差、北斗误差、里程计误差）的在线估计,更能有效提高各传感器的测量精度。     

基于滤波和优化的惯性/里程计组合导航精度对比分析

在广泛使用的惯性/里程计组合导航应用中,一贯的方法是使用Kalman滤波器进行组合导航状态估计,展现出了强大的工程适用性。然而其对于历史状态没有修正,导致整体导航精度受限。而基于优化的方法可以平滑整体组合导航的轨迹,有望提升惯性/里程计组合导航的精度和鲁棒性。将优化方法与滤波方法在惯性/里程计组合导航应用中进行对比,分析在不同条件下优化算法和滤波算法的优劣。试验表明,基于优化的算法在含有稀疏位置观测的条件下能够比滤波算法定位精度更高。但是,无位置观测的条件下,滤波算法更加稳定和精确。可以得到：基于滤波的算法更加简单稳定,更适用于工程实践;基于优化的算法模型更加复杂,在观测约束更多的条件下能够得到更好状态估计结果。     

一种基于改进Kalman滤波的视觉/惯性组合导航算法

提出了一种基于改进Kalman滤波的视觉/惯性直接组合导航算法,首先分析了相关坐标系的定义和敏感器的误差模型,然后分别构建了姿态滤波方程和位置滤波方程,接着对滤波方程进行离散化处理以便在计算机中实现运算,最后采用该方法进行了仿真验证,结果表明系统在不同情况下进行组合导航都能够满足任务要求。     

基于惯性/里程计组合导航的管道定位仿真分析

管道在油气传输中有着非常重要的地位,关乎着生命与财产安全,定期对传输管道进行检测能使管道安全、高效地运行.对管道损伤点进行精确定位,是修复管道缺陷所必需的.本文仿真了检测设备在管道中的运行轨迹,并加入了检测设备在管道中滚转运动和长时间导航下陀螺刻度系数漂移的影响,搭建了基于惯性/里程计组合导航的仿真模型.通过实际仿真发现,利用磁标点校正、卡尔曼滤波、磁标二点间误差修正和起点与终点误差修正,能有效提高管道中定位精度.     

车载高精度里程计辅助捷联惯性组合导航系统设计与实验

GPS导航系统虽然精度高、成本低,但易受到工作环境的限制。针对特殊应用环境(如煤矿)提出了一种可工作于复杂环境下的高精度里程计组合导航系统。经过分析、仿真、实验验证,结果表明在无GNSS信号的情况下,所设计的里程计组合导航系统可完成长时间(>1h)、长距离(300m)且高精度(相对误差仅为0.526%)的导航。     

车载捷联惯导双里程计组合导航方法研究

针对当前车载捷联惯导与里程计组合导航时,将里程计安装在车底盘左侧或右侧位置而造成的导航误差,以及里程计信息未能真实反映车体中心的实际运行状态,研究了一种车载捷联惯导/双里程计组合导航方法。该方法分别在车底盘左侧和右侧位置各安装了一个里程计,将双里程计信息作为量测量,设计了组合导航融合算法进行Kalman滤波组合导航。在导航过程中对双里程计信息进行χ２检测,以避免车体作大转弯运行或有外部干扰时引起的里程计信息异常。跑车试验结果表明,该融合算法能使定位结果得到最优融合,定位误差整体减小到20m以内,最大处减小6m,离线分析进一步证明了该融合算法的有效性。     

大角度斜置激光惯组与里程计组合导航方法

针对激光惯组斜置条件下惯组坐标系相对里程计坐标系是大角度的情况,建立了两坐标系之间的转换关系,推导了里程计输出转换的安装误差补偿模型,在补偿模型基础上给出了安装误差计算公式.以惯组位移与里程计位移之差作为量测值,建立了状态和量测方程,运用Kalman滤波技术实现惯组/里程计组合导航,最后通过跑车试验对提出的惯性/里程计组合导航方法进行了验证,结果表明了该方法的有效性.     

基于惯性/激光测距/视觉里程计组合的高空场景尺度误差估计方法

惯性/视觉感知信息融合导航定位技术是目前实现无人机不依赖卫星自主导航的最有效手段。但对于面向高空场景的大型无人机,惯性器件误差与视觉里程计尺度误差耦合且特征平面化导致可观测性下降。针对这一问题,提出了利用惯性/激光测距/视觉里程计组合实现尺度误差估计的方法。通过开展误差模型建立、激光测量点与图像中位置匹配、无人机平飞机动下系统可观测性分析等关键技术研究,实现了高空场景下尺度误差的精确估计。经过300m高度机载试验数据验证,算法精度优于1.5%D,对卫星拒止条件下高空无人机自主导航具有重要意义。     

光纤陀螺惯导在航海领域的发展与应用

针对航海导航领域对惯性技术发展的新需求,从系统精度、旋转调制技术、陀螺性能等方面出发,梳理了国外航海惯导技术的发展脉络。由此总结出了航海惯导三点新的发展需求,包括定位精度、研制成本、使用维护性,同时给出了满足当前发展需求的一个研究方向,那就是采用超高精度的光纤陀螺研制航海惯导。最后从陀螺精度极限、温控、全阻尼等几个方面进行简要的可行性论证,并给出了部分验证试验结果,试验结果表明光纤陀螺惯导在航海领域具有广阔的发展前景。     

基于冗余GNSS观测的RTK/INS紧组合方法

为了解决传统全球卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)的紧组合方法在隧道、高架等复杂场景下定位精度退化、相位模糊度固定率低的问题,提出了一种基于冗余GNSS观测的RTK/INS紧组合方法,可以紧密集成任意个GNSS终端,通过大量的冗余观测与改进卫星几何构型,有效提高了系统的定位性能。实验验证与定量分析表明,该方法在城市环境中能够稳定实现厘米级的精度,在卫星数急剧减少的复杂场景下与单天线紧组合方法相比,显著改善了定位效果,将最大误差由接近3 m约束到了1 m以内,并将模糊度固定率提高了20%。     

地磁辅助的无缝INS/GPS组合导航研究

INS/GPS组合导航已经成为当前无人机导航系统的主要实现形式,由于GPS信号容易受到干扰,在恶劣的电磁环境下信号易丢失,从而导致GPS卫星信号失锁而无法使用。地磁导航作为一种无源导航方法,其难以受到外界干扰且具有较强的自主性,从而为克服GPS在干扰情况下无法对INS误差实现持续无缝修正的不足提供了很好的途径。针对INS/GPS组合导航中GPS卫星信号失锁的情况,设计提出了使用地磁匹配导航进行辅助实现无人机无缝导航的实现方案,设计了基于地磁特征的地磁匹配算法和地磁匹配辅助的INS/GPS组合无缝自主导航算法,并通过仿真验证了采用地磁匹配辅助导航方法,可以在GPS无效的情况下,实现对INS导航误差的持续无缝修正,从而提高导航系统性能。     

基于鲁棒迭代卡尔曼滤波的惯性/偏振组合定向方法

偏振罗盘（PC）在复杂环境中（如遮挡或载体高速机动情况下）,易受到非高斯测量噪声和大异常值的影响,从而导致惯性导航系统（INS）/PC组合导航系统性能下降。为解决这一问题,基于非线性回归公式,提出了一种以Huber函数作为鲁棒代价函数的鲁棒迭代扩展卡尔曼滤波（Huber-RIEKF）方法,通过引入鲁棒优化框架,重新构建卡尔曼滤波更新步骤,使其具备对预测协方差和观测噪声协方差进行自适应加权的能力,从而有效处理由未知噪声引起的观测量中的大离群值。此外,为克服Huber代价函数的影响函数无法回降的局限性,进一步设计了一种基于Mahalanobis度量的数据关联方法,用于识别异常值,并确保仅将非异常测量值纳入滤波更新过程。在校园内使用无人车进行了２次实测实验,数据采集时长分别持续45 min和30 min。实验结果表明,与IEKF算法相比,所提出算法的航向精度在2组实验中分别提升了35.58%和48.43%,表明所提出的方法显著提高了状态估计对非高斯重尾观测噪声的鲁棒性,有效地提升了INS/PC组合导航系统在复杂环境下的适应能力。     

飞机加装组合导航系统方案

论述了飞机加装组合导航系统的技术性能及系统配置的情况。     

基于INS/JTIDS组合的JTIDS相对导航

简要地介绍了联合战术信息分发系统(JTIDS)的相对导航原理,分析了低动态用户相对导航卡尔曼滤波算法对于高动态用户的局限性。在 INS/JTIDS 组合导航的基础上,探讨了 JTIDS的相对导航。     

INS/GPS组合系统在反舰导弹导航制导中的应用

为了提高反舰导弹的精确制导效率,提出了INS／GPS(惯性导航/卫星导航)相结合的导航方法,分析了INS与GPS相结合时的误差模型、整个系统的性能及滤波算法,并对INS／GPS 组合导航的应用前景做了一般性的分析。