2023年, 第22卷, 第6期　刊出日期：2023-12-05

  

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综述
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  深海潜航器导航系统故障检测方法综述

  韩若曦, 李海兵, 郭子伟

  导航与控制. 2023, 22(6): 1-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.001

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  随着海洋科学建设的发展,潜航器应用逐渐向深远海、多功能、远航程和超高航速方向发展。组合导航系统因可靠性高、实时性好而广泛用于深海导航中。随着潜航器规模的增加和任务环境的复杂,导航系统的故障率也在升高,一旦发生故障将导致系统失效甚至任务中断。因此,有必要建立完备的故障检测方案,及时发现故障并进行修正,以提高复杂任务可靠性。传统故障检测方法依赖于先验知识或模型,目前已实现较好应用,但在应对复杂系统和多源、高维数据等情况时,基于智能算法建立的故障检测技术优势凸显。首先,结合深海环境特点和潜航器的导航方案,对传统方法和和基于智能算法的检测方法进行介绍;然后,基于案例对不同检测方法的特点及在水下环境中的应用进行分析,并对故障检测方法的研究进展进行总结;最后,讨论了未来深海潜航器组合导航系统故障检测方法研究方向。
导航与制导
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  基于模态辨识的多条件约束步态检测算法

  孙银收, 熊智, 邢丽, 李晓东, 崔岩

  导航与控制. 2023, 22(6): 13-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.002

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  行人运动模态的准确辨识可以辅助步态检测。针对行人连续运动模态下步态检测不准确的问题,提出了基于模态辨识的多条件约束步态检测算法。首先,根据行人的运动特征和手持终端的姿态特征,引入有限状态机思想构建轻量级分类器,识别行人三种运动状态(静止、行走和跑步)以及终端三种使用模式(平端、电话和摆臂),以提高步态检测的适应性。然后,通过极值约束、周期性约束与峰谷值匹配机制提高步态检测精度。最后,通过相邻波峰/波谷替代机制剔除伪波峰/波谷,以达到更为精准的步态检测。实验结果表明,该算法在单一运动模态下的步态检测精度最小为98.89%,在连续复杂模态下的总体检测精度为100%,具有较强的准确度和鲁棒性。
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  改进的自适应最大相关熵UKF算法在SINS/GNSS组合导航中的应用

  黄海舟, 周凌柯, 张永耀, 蔡紫烨, 李胜

  导航与控制. 2023, 22(6): 26-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.003

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  组合导航系统是典型的非线性系统,模型的非线性以及噪声的不确定性均会影响系统的估计精度。针对传统无迹卡尔曼滤波器在非高斯噪声情况下滤波精度下降的问题,提出了一种改进的自适应最大相关熵无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。该方法依据滤波新息对当前时刻量测噪声进行估计,利用估计噪声相对于历史噪声的变化程度确定核宽的变化区间,并依据最大相关熵算法的迭代误差变化对核宽进行自适应调整,提高了算法的收敛速度以及对非高斯噪声的处理能力。基于非高斯噪声环境进行了SINS/GNSS组合导航仿真实验与实际跑车实验,与传统无迹卡尔曼滤波进行比较,结果表明:在非高斯噪声条件下,提出的算法得到的东向位置误差为2.11 m,北向位置误差为1.85 m,滤波性能明显优于传统UKF,提升了组合导航解算的精度。
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  青海省2000重力基本网的精度分析

  李延龙, 刘海红, 李小刚, 省天琛, 张永荥, 杨海鹏

  导航与控制. 2023, 22(6): 37-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.004

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  青海省内重力基准稀少,不能满足各行业需求,通过新建基本网介绍了精度控制的方法及经验。首先,经过勘选、埋石建成了18个重力观测墩。其次,采用4台CG-5型和2台CG-6型高精度相对重力仪开展了与基准点、基本点、引点的重力联测,联测中误差最大值为7.2 μGal。最后,观测数据经过格值转换、固体潮改正、仪高改正、气压改正、零漂改正等各改正项计算及重力段差计算获得18个重力点成果,经平差计算后单位权中误差为12.2 μGal,重力点平均值中误差为4.3 μGal,各项精度指标均优于规范要求。
控制理论与方法
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  基于模糊调参规则和IDOB的光电平台复合控制方法

  何锦廷, 谷奇, 丁祝顺, 孙寅, 张明闯

  导航与控制. 2023, 22(6): 46-54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.005

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  作为航空光电吊舱的重要组成部分,光电平台广泛应用于无人机、导引头等领域。为了补偿摩擦、干扰角速度以及其他未知扰动,以提高系统稳定精度,提出了一种基于模糊调参规则和改进干扰观测器(IDOB)的复合控制方法。该方法利用模糊规则在线调整PID参数,并采用基于角速度的改进干扰观测器对伺服控制系统的外界扰动进行观测,将其等效为控制量进行反馈补偿。样机摇摆实验结果表明,提出的复合控制方法在低频干扰条件下的RMS值比模糊PID控制的RMS值减小了12.24%,有效提高了在低频干扰运动下的视轴稳定精度和鲁棒性,验证了该复合控制方法具有更好的稳定性,对工程实践具有参考意义。
传感器与执行机构
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  双线偏振光路CPT原子磁力仪测量磁场矢量方法

  刘崇泰, 王学锋, 卢向东, 邓意成, 刘院省, 李建军, 徐强锋

  导航与控制. 2023, 22(6): 55-63. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.006

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  相干布居囚禁(CPT)磁力仪可以实现磁场标量的高精度测量,但却很难实现磁场矢量的高精度测量。为了实现地磁场量级磁场矢量信息的测量,提出了一种基于CPT效应的双线偏振旋转调节光路测量磁场矢量的方法。该方法利用3.4 GHz微波模块调制VCSEL光源产生满足CPT效应的泵浦光,并通过光路结构实现两束传播方向相互垂直的线偏振光进入原子气室,调节两束线偏振光的偏振方向,测量CPT信号峰极值对应的偏振方向,进而确定磁场在垂直于光传播方向平面中的角位置,通过两束光的测量得到磁场的大小及方向。实验在总场为2133 nT条件下的角度误差在1°左右,验证了所提出的磁场矢量测量方法的可行性。该方法具有不受信号幅值波动影响、理论测量精度高、无需三轴线圈辅助等优点,并可使测磁系统简化,在卫星测磁等领域具有重要意义。
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  I/F电路线性度误差分析及补偿

  同昭豫, 赵鹏, 黄武扬, 王豪, 张焜鋋

  导航与控制. 2023, 22(6): 64-69. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.007

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  在惯性导航系统中,加速度计输出的电流信号需要通过模数转换电路转换为输出脉冲。针对惯导系统中I/F模数转换电路输出脉冲与输入电流因器件不理想而存在非线性失真的问题,提出了一种二级补偿算法。该算法通过建立温度补偿模型和线性度补偿模型,对电路的线性度进行二级补偿,弥补了温度变化引起的误差,同时解决了硬件仅补偿一阶误差的问题,使模数转换电路在器件参数不理想的情况下仍能在大量程环境中保持高精度。将其应用到实际电路中,经实验验证表明,该算法能将模数转换电路的非线性指标从7.20×10^-4降到4.93×10^-6,有效减少了器件不理想所带来的非线性失真。
测试与计量
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  基于机器视觉的大型舱段对接位姿测量方法

  李瑞峰, 郭静, 杨娜, 张力力, 程军

  导航与控制. 2023, 22(6): 70-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.008

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  随着航空航天领域对飞机、火箭等大型舱段类产品的装配精度和自动化程度要求不断提高,大型舱段的对接装配模式由原来“目视人喊手工推”的人工作业模式正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对这一问题,设计了一套基于机器视觉的自动对接系统,提出了一种基于两套单目视觉的大型舱段相对位姿测量方法。系统通过两套单目视觉独立测量舱段表面靶标位姿,结合预先标定的靶标和舱段的位置关系,对两套单目视觉测量结果进行融合解算,得到最终的舱段对接姿态,引导六自由度调姿平台实现大型舱段的自动对接。实验结果表明,该系统的测量精度优于0.04 mm,对接精度优于0.3 mm,具有较强的应用价值。
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  基于Qt/OpenGL的惯性平台数字模型驱动技术

  崔淑慧, 闫文民, 武彦伟, 王目凯, 王兆凯

  导航与控制. 2023, 22(6): 80-87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.009

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  针对惯性平台系统内部框架结构复杂及其整机封闭测试过程中内部框架运动位置难以准确描述,提出了一种惯性平台数字模型可视化与内部框架驱动方法,并利用Qt/OpenGL开发了惯性平台三维可视化在线测试与示教系统。通过三维CAD建模软件对惯性平台进行建模,确定了OpenGL与三维CAD建模软件接口以及数字样机与实际平台测试接口。基于实时/离线平台全功能测试表明:该系统实现了数字样机对实际平台框架运动的实时跟随,直观地展示了平台内部框架结构以及框架运动过程中的相对位置关系,有效地提高了平台测试人员间的现场交流与培训效果。
信息与人工智能
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  近红外波段单像素相机测试与仿真研究

  安华亮, 何远清, 刘院省, 陶东兴, 曹正彬, 陈琲, 郑悦, 李明飞

  导航与控制. 2023, 22(6): 88-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.010

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  单像素相机在集成化、工程化方面尚不成熟,大多数研究仅针对实验室环境进行搭建与测试。然而在工程应用中,样机的体积、质量和测试环境均是影响单像素成像质量的因素。故在体积、质量和测试环境等约束条件下,利用集成了C++语言高效编解码算法的近红外波段单像素相机,开展了在自然光源和红外灯等复杂环境下的单像素相机测试。集成的单像素相机在6.25%采样率下可实现2.5帧/s@256×256像素成像,角分辨率为7.3 mrad,随着曝光时间的增加,图像信噪比显著提升,经深度学习的降噪网络处理后,单帧成像质量仍有上升空间。同时,也仿真研究了集成样机对振动的响应特性,讨论了样机在一般运输环境下的适应性。本研究对单像素相机技术成熟度的提升具有推动作用,为低成本红外成像提供了一种解决方案。
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  基于数字孪生的捷联惯组运行维护技术

  陈家骏, 林家昀, 夏旭, 范源, 杨梦超

  导航与控制. 2023, 22(6): 97-105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.011

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  针对捷联惯组在生产过程中数据分析复杂、故障定位不精准、全生命周期管理困难的问题,提出了一种新的基于数字孪生的捷联惯组运行维护技术。将数字孪生与捷联惯组相结合,为捷联惯组复杂的设计、生产、全生命周期运行维护提供新的思路。通过设计基于捷联惯组全要素可视化的数字孪生系统,对装备进行全生命周期数据管理。基于实际生产的结果表明:所提技术能够在虚拟空间中复现物理实体,借助历史数据、实时数据、技术知识、处理算法、功能模型等,在捷联惯组全生命周期各环节实现物理空间与数字空间的实时交互应用,建立捷联惯组故障库,实现数字化健康管理。
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  基于特征融合的异源图像匹配算法

  郝祥, 冷雪飞, 李一能

  导航与控制. 2023, 22(6): 106-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.06.012

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  在飞行器视觉导航的特征提取和匹配过程中,异源图像成像手段不同、特征信息差异大,各类图像信息因标准不一难以实现精确匹配。针对上述问题,提出了一种基于特征融合的异源图像匹配算法,能够实现异源图像的高精度匹配。首先,设计了基于残差网络的编码网络,提升了对图像深层次特征的提取能力;然后,在解码网络中使用了稠密连接保留中间层特征,使得融合结果能兼顾图像的各层级信息;同时,设计了包含注意力机制的融合策略,优化了融合特征中源图像的信息占比,提升了融合特征的质量;最后,将融合特征应用于图像匹配。实验结果表明,该算法相较于常见方法在特征融合评价指标上具有优越性。在异源图像匹配实验中,算法的匹配正确率为96.71%,旋转情况下的匹配正确率为89.40%,具有高精度、强鲁棒的特点。