巡检机器人全球定位系统和里程计组合定位方法

针对巡检机器人在校园环境中工作时,全球定位系统(global positioning system,GPS)信号易受树荫及较高建筑物遮挡而出现定位不准确的问题,提出GPS和里程计组合定位方法。以GPS坐标信息为初始位置,里程计信息为主导航,GPS接收机的脉冲信号作为实时修正数据,利用卡尔曼滤波算法对系统状态进行最优估计,得到较为准确的状态估计值。最后利用状态估计值去修正系统的导航误差。同时在实验平台上进行验证仿真。结果表明,机器人以150 cm/s的速度行驶80 s后其轨迹误差能控制在5 cm以内,利用多传感器融合技术可以提高机器人的定位精度和可靠性,GPS和里程计组合定位方法能够有效提高机器人实时定位精度。     

室外区域充满运行机器人导航定位的一种策略

该文根据在室外非结构化环境中实现区域充满运行的一类移动机器人的工作特点，提出了利用组合定位系统和数字地图匹配算法对机器人进行导航定位的一种策略。利用基于环境特征位置探测和数字地图信息匹配相结合对定位误差进行修正的方法来提高机器人导航定位精度。该方法克服了传统导航定位方法存在累积误差和系统复杂、成本高等缺点。经实验验证：该文提出的定位系统和误差修正的方法能满足移动机器人区域充满运行的定位精度要求。     

MINS/GPS组合导航系统设计与实验

设计了一套MINS/GPS组合导航系统实验样机,可实时输出导航位置、速度和姿态信息。以GPS接收机的秒同步脉冲(PPS)与串口通信协议尾字节作为对齐标志,完成MINS与GPS时间同步;利用GPS的速度信息进行车载实验初始方位角对准,并利用横向约束条件标定惯导与车体间的方位安装误差角;设计了基于虚拟噪声的现场最优标定方法。以上措施均有效提高了系统的精度和可靠性。车载实验结果表明,无GPS辅助时,纯惯性导航在120s时刻满足短时间惯性导航精度要求;组合导航定位精度在30min内与GPS相当。     

MINS/GPS组合导航系统设计与实验

设计了一套MINS/GPS组合导航系统实验样机,可实时输出导航位置、速度和姿态信息。以GPS接收机的秒同步脉冲(PPS)与串口通信协议尾字节作为对齐标志,完成MINS与GPS时间同步;利用GPS的速度信息进行车载实验初始方位角对准,并利用横向约束条件标定惯导与车体间的方位安装误差角;设计了基于虚拟噪声的现场最优标定方法。以上措施均有效提高了系统的精度和可靠性。车载实验结果表明:无GPS辅助时,纯惯性导航在120 s时刻满足短时间惯性导航精度要求;组合导航定位精度在30min内与GPS相当。     

综合卡尔曼滤波的多传感器协同室外定位研究

为了拓展移动机器人应用场景、满足室外定位的高精度需求,提出一种基于综合卡尔曼滤波的协同室外定位算法,可解决室外复杂环境下独立传感器失灵、机器人实时定位漂移的问题.首先构建GPS和超宽频非线性定位系统模型,测试不同滤波算法对该模型的预测效果,分析对比解算速度和均方根误差,从而确定适合定位系统的最优算法;然后针对GPS信号受环境遮挡导致丢失或失准的情况,构建超宽频和惯性测量单元非线性定位补偿系统,利用基于误差的卡尔曼滤波算法预测机器人位置姿态;通过融合两种非线性系统下估计得到的不同状态向量,确定机器人室外真实位置姿态,进一步提高机器人室外定位精度,保证定位系统的稳定性.试验验证表明,本文算法室外定位误差小于10 cm,在GPS信号微弱的环境下能实时估计目标位置姿态,大幅度降低障碍物干扰的影响,准确预测机器人位置.     

基于脉冲响应模型的GPS失效解决方法

INS/GPS组合导航系统具有较高的导航定位精度,但在GPS信号失效时,导航定位误差会显著漂移.为解决此问题,提出了一种基于脉冲响应模型的GPS失效解决方法.首先,使用基于傅里叶基神经网络的频谱分析方法建立起INS系统机动信号与INS/GPS组合导航系统机动信号之间的频域传递函数;然后,将此频域传递函数转换到时域,得到时域脉冲响应模型;将得到的时域脉冲响应模型与INS机动信号卷积,将卷积之后的信号作为INS/GPS组合导航系统在GPS信号失效时的过渡信号.仿真实验证明,该模型可以有效抑制INS/GPS组合导航系统在GPS信号失效时的定位误差漂移.     

约束无迹粒子滤波及其在车辆导航中的应用

针对城市高楼密集区,卫星导航信号易被干扰或遮挡、航位推算长期定位误差积累导致车辆组合导航定位精度差的问题,提出一种约束无迹粒子滤波算法。首先,该算法利用无迹卡尔曼滤波对实时状态的均值和方差进行估计,生成的高斯分布作为粒子采样的重要性函数,克服了粒子滤波重要性函数难以选取的问题。其次,采用从观测方程中提取约束条件、构建约束方程的方法,解决约束条件难以构造和新增约束方程导致算法计算量激增的缺陷。再次,通过构造拉格朗日函数,得到无迹粒子滤波的状态估值投影到约束平面的最小值。然后,设计车辆组合导航系统的车辆运动约束方程和道路约束方程,对状态估计值进行约束,修正误差大的估计值,提高了状态量的估计精度。最后,将提出的约束无迹粒子滤波应用到全球定位系统/航位推算车辆组合导航系统中进行仿真验证,并与无迹粒子滤波和自适应无迹粒子滤波进行比较。结果表明:提出的算法估计得到位置误差均值控制在1.5 m左右,而2种比较算法估计得到的位置误差均值控制在3 m左右;提出算法的位置误差估计精度明显优于2种比较算法,车辆组合导航定位性能得到了改善。该方法为驾驶人提供了可靠的反馈信息,避免了交通事故的发生,从而减小了人员伤亡和经济损失。     

基于多模自适应滤波算法在 装备组合导航系统的应用

为满足在复杂环境下装备导航定位需求,本文提出了一种对组合导航系统进行多源信息融合以获得高精度、高容错位置修正信息的设计方法.该方法通过改进联邦卡尔曼滤波算法和滤波器设计,建立一种基于北斗/GPS/SINS组合导航系统的多模自适应估计的联邦滤波器,通过多源数据优化融合有效提升装备组合导航系统精度及可靠性,为其提供准确的地理位置、周边地形以及道路交通等信息,帮助作战人员实时获取目标状态并引导精确导航,有效提升装备作战使用效能.仿真实验表明:该方法与单一模型的联邦滤波器相比,不仅能进一步提升系统的容错性及高精度定位能力,还便于对各导航子系统的故障进行隔离定位,具有较大的工程应用价值.     

联合卡尔曼滤波在车辆组合导航系统中的应用

GPS/DR组合导航系统是一种低成本、高可靠性的车载导航设备.针对陆地车辆GPS/DR组合导航系统的特点,设计了用于该系统的联合卡尔曼滤波器,给出了滤波算法,并进行了实地跑车实验.理论分析和跑车实验的结果表明,联合滤波方法不仅有效地抑制了DR系统的误差发散,而且能够充分利用DR的数据信息对GPS定位的随机误差进行补偿,从而有效地提高GPS/DR组合系统的定位精度及容错能力.     

一种应用于GPS/低成本INS组合导航的自适应滤波算法

为了提高在全球卫星定位系统(GPS)接收机导航解更新间隔期间组合导航系统的定位精度,在分析了惯导系统(INS)误差模型的基础上,使用一种对噪声协方差矩阵进行实时自适应估计的算法改进了通常使用的标准Kalman滤波器。采集清华大学内的跑车实测数据,并使用自适应算法进行处理,结果表明:该方法可以有效地提高GPS导航解间隔期间组合导航系统的定位精度,整体定位精度可以提升近10%,在车辆行驶状态变化较大的路径中获得了最高达40%的位置精度提升。该方法易于实时实现,在实际工程实现中具有一定的应用前景。     

基于捷联惯导的蛇形管道机器人定位算法

为解决蛇形管道探测机器人因处于地下管道,难以定位的问题,本文基于牛顿第二定律为蛇形管道探测机器人设计了一种高精度的捷联式惯性导航定位系统（Strap-down Inertial Navigation System SINS）。本系统搭载九轴惯性测量器件（IMU）对蛇形机器人的加速度及角速率信息进行测量,融合卡尔曼滤波算法对定位系统进行误差补偿,采用四元数法构造捷联式惯性导航系统姿态矩阵进行姿态更新,再积分得到速度和位移。利用MATLAB软件根据上述算法对机器人的速度、位移进行分析计算,并与机器人真实的速度位移做比较,验证算法的可靠性。实验结果表明,该算法的定位误差最大不超过4.7%,能够为管道探测机器人提供准确地速度和位置信息,具有较高的实用价值和意义。     

基于WRV的室内移动机器人定位系统

针对W(WLAN,Wireless Local Area Network)、R(RFID,Radio Frequency Identification)、V(Video)技术在室内定位的特点,提出了基于WRV信息融合的机器人定位方法。以概率法为基础,进行了基于Kalman滤波的WLAN机器人定位实验;以增加移动误差补偿的极大似然估计定位算法为基础,进行了基于Kalman滤波的RFID机器人定位实验;以SIFT算法为基础,进行了机器人定位实验;最后研究了机器人多信息融合定位算法并进行了实验。移动机器人定位实验表明:机器人多信息融合定位平均定位偏差为0.381m,减少了WLAN、RFID及视觉系统单独定位时的偏差,定位精度上有了明显的提高,可以较好地满足室内移动机器人的定位要求。     

基于Mission Planner的无人机自主导航测量系统设计与实现

针对目前测量工具价格较为昂贵、测量手段多采用人工采集的方式,设计一款基于Mission Planner开源地面站和GNSS相结合的无人机自主导航测量系统。该系统由四旋翼无人机、APM控制器、Mission Planner地面站和PPK后差分系统构成,共设计手动和自动导航两种控制方式。自动导航模式中可通过Mission Planner地面测控系统的地图模块、数据交互模块,实现无人机按照设计预设航线进行飞行,并获取目标点的空间三维坐标。通过GNSS-BDS/GPS系统定位试验和自动导航对比试验得出,此套自动测量系统静态达到厘米级的定位精度,自动导航模式下的定位精度达到分米级。最终将其应用到点位坐标测量中,该系统所测得数据误差控制在10cm内,满足测量工作中的基本需求。本文可对今后开展全自主测量技术设备的研发提供理论基础和实践参考。     

基于非线性自适应回归神经网络的GPS/IMU组合导航方法

车道级高精度定位导航是智能网联汽车的基本配置,全球定位系统(globlal positioning system,GPS)/惯性测量单元(inertial meansurement unit,IMU)组合导航是高精度定位的关键技术之一。根据汽车行驶过程中高精度定位要求,提出了应用于智能网联汽车的基于非线性自适应回归(nonlinear autoregressive exogenous,NARX)神经网络的GPS/IMU组合导航方法。首先,根据IMU传感器数据特性,建立了基于扩展卡尔曼滤波的惯性导航系统(inertial navigation system,INS)模型,其次,基于NARX神经网络,建立了GPS/INS组合定位训练和预测模型,然后,基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)、实时动态差分技术(real-time kinematic,RTK)、INS等技术,设计了智能网联汽车RTK高精度定位数据采集实验系统,并收集了实验数据。最后,对NARX网络训练误差和GNSS信号长时间失效情况下定位预测误差进行了讨论与分析。实验结果表明,该方法在GNSS信号失效5 min情况下,定位预测误差在2. 5 m以内,满足一般情况下,短、中、长隧道中智能网联汽车定位应用要求。     

基于改进的UPF算法的列车组合定位方法研究

车实时定位是保证列车安全运行的重要环节。随着北斗卫星导航系统的发展,北斗卫星已逐步具备应用于列车定位的能力。针对北斗导航定位系统的特点及存在的问题,将SINS系统作为其补充定位方式。由于传统滤波算法在进行状态估计时仍存在粒子退化现象。为了进一步提高估计性能,提出了基于人工免疫无迹粒子滤波算法（AI-UPF）的列车组合定位方法。将人工免疫算法引入UPF算法的重采样过程,对粒子进行克隆和变异,改善了样本集的多样性,减轻了退化现象的影响。用该方法和UPF算法分别对北斗/SINS列车组合定位系统进行仿真实验。结果表明,AI-UPF算法能进一步减小定位误差,滤波效果较好。     

采用DTV同步信号的定位技术

通过描述定位系统和校准系统来分析数字电视（DTV）同步信号定位技术的特点，与GPS、A-CPS定位系统比较，该定位技术适于在所有那些GPS趋于失败的城市环境及室内定位，可以提高定位精度和获得可靠的位置信息。     

基于消息互联的无人机平台协同导航方法

 协同导航作为无人机集群平台的新导航方式,可充分利用各无人机间的消息互联融合所有平台的量测信息获取整个系统的最优估计。针对分布式协同导航算法估计精度低的问题,提出3阶段的协同导航方法,利用绝对导航输出信息作为协同导航的初始值,将相对导航输出信息作为协同导航的量测信息,构建协同导航滤波器,将各平台解算出的结果反馈到各平台自身的绝对导航,进而获取到导航信息的全局最优估计。仿真结果表明：提出基于消息互联的协同无人机集群导航方法可有效估计各无人机的导航信息,相较于传统的导航定位系统以及协同导航方法,具有更高的抗干扰性和稳定性,更能适应不同的复杂环境。     

基于分布式视觉的室内机器人定位系统设计与实现

针对室内移动机器人的自动识别规定区域的特定颜色目标物的定位导航,提出一种基于分布式视觉技术的机器人系统构建方法。通过场地外的摄像头采集机器人工作现场的图像,由计算机进行机器视觉处理后得到机器人的位置信息,再利用该信息控制机器人按路线行进。经过在3 m×5 m的区域内进行标定试验,证明机器人运行时最大位置误差为:15.6 cm,平均误差为8.1 cm;方位角误差最大为11.3°,平均误差为8.05°。     

紧藕合导航系统中的GDOP估算方法

提出一种针对低成本GPS/SINS（global positioning system/strap-down inertial navigation system）紧耦合导航系统的快速选星方法,充分利用SINS的输出估算几何精度因子（GDOP）,避免大量迭代带来的时间消耗,在卫星失锁后或星座分布发生变化时实现快速选星;并在该方法的基础上设计并实现紧耦合导航系统中量测噪声方差阵的在线修正,提高了组合导航系统滤波估计的精度. 试验结果表明,本文方法弥补了传统GPS/SINS紧耦合导航系统中选星时间消耗代价过大、收敛精度较低的问题,并可相应降低设备成本.      

一种小区GPS导航系统

使用静态局部坐标修正算法绘制小区GPS地图.提出可行性高和易于实现的基于方向值双向法查找近似最短路径,以及基于方向比较和方向记忆的地图匹配方法.设计了嵌入式小区GPS导航系统.实验结果表明,该系统有较好的定位和导航准确度.