2019年, 第18卷, 第6期　刊出日期：2019-12-05

  

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综述
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  Softmax分类器深度学习图像分类方法应用综述

  万磊, 佟鑫, 盛明伟, 秦洪德, 唐松奇

  导航与控制. 2019, 18(6): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.001

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  基于深度学习的人工智能图像分类方法研究是当前计算机视觉领域的研究热点。面向深度学习中的Softmax图像分类方法,首先回顾了图像分类技术的发展历程,接着介绍了图像识别技术中的分类器,并解释了Softmax回归函数的分类实现原理。基于Softmax回归分类器的应用,详细阐述了多种图像分类技术,具体包括浅层神经网络、深度置信网络、深度自编码器和卷积神经网络。同时,对比介绍了各种级联模型的具体结构、训练方法、实际应用、分类效果以及优缺点。最后,从Softmax回归分类器、深度学习网络模型和高维数据分类三个方面对基于Softmax回归分类器的深度学习模型在图像分类方面的发展与应用前景进行了展望。
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  激光陀螺捷联惯导系统旋转调制技术综述

  雷一非, 谢波, 李淑英

  导航与控制. 2019, 18(6): 10-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.002

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  激光陀螺旋转调制技术是一种系统级误差自补偿技术,能够有效调制陀螺和加速度计的误差,提高导航系统的精度。首先分析了旋转调制型捷联惯导系统的基本原理和类型,然后从转位方案的编排、惯性测量单元旋转速度和转停时间的选取、旋转机构的导航解算、旋转机构的误差分析、载体角运动隔离等多方面,对激光陀螺旋转调制技术进行了综述,并探讨了我国旋转调制技术的重点研究方向,提出了合理的建议。
导航与制导
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  一种适用于跑步状态的惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法

  徐丽敏, 熊智, 王钲淳, 张苗

  导航与控制. 2019, 18(6): 21-28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.003

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  目前,行人导航定位技术已经深入社会的众多领域,受到诸多学者的广泛关注。针对行人跑步状态,研究了一种惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法。首先提出了可靠的、适用于行人跑步零速检测的方法,有效提高了在行人跑步状态下的零速检测的准确性。针对GPS信号容易受到高楼、高架等环境的干扰及在室内容易完全丢失的特点,提出了基于BP神经网络的GPS可用信号筛选方法,提高了GPS信息的可靠性与精准性。在此基础上,研究了基于可变量测的Kalman滤波器,实现了惯性/零速/GPS信息的有效融合,显著提高了在行人跑步状态下的导航定位精度。试验结果表明,所提出的这种适用于跑步状态的惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法的平均定位误差可减小到行人跑步总里程的1%以内。
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  箭载SINS快速自对准技术

  王海鹰, 石志华, 裴忠海, 金龙, 刘懿龙

  导航与控制. 2019, 18(6): 29-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.004

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  为适应运载火箭快速发射需求,捷联惯导系统采用自对准技术逐渐取代了复杂的光学瞄准系统。针对初始对准中Kalman滤波器收敛缓慢的问题,提出了基于低通滤波的运载火箭快速自对准方法。该方法基于凝固惯性系自对准算法,采用移动窗双矢量构造方案,实现了自对准实时解算。通过在凝固惯性系间姿态转换矩阵后端引入低通滤波器,降低杆臂效应引起的有害加速度影响,保证自对准精度。该方法不需要进行复杂的Kalman滤波运算,能够快速收敛,工程实现简单。数字仿真和试验数据表明,采用基于低通滤波的凝固惯性系自对准方法可以达到Kalman滤波对准同等级精度的同时缩短对准时间到5min以内,验证了该方法的有效性。
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  基于因子图的卫星拒止环境下的多信息融合技术

  徐璟, 杨功流, 孙艺丁

  导航与控制. 2019, 18(6): 34-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.005

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  目前,几乎所有军用和民用系统都依靠基于卫星的组合导航系统来获取导航定位信息。但卫星信号在都市、室内、地下等环境中容易受到干扰,使得导航结果精度降低。为了解决在卫星拒止环境下的导航定位问题,选用基于因子图的信息融合算法,来实现不同采集频率的导航数据信息的融合。实地跑车试验表明,该方法能在卫星信号失效情况下,实现多传感器信息快速有效融合,确保系统导航精度,提升卫星拒止环境下载体导航定位能力。
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  双轴连续旋转调制捷联惯导系统大失准角初始对准技术

  许昊天, 赵春柳, 邵海俊, 缪玲娟

  导航与控制. 2019, 18(6): 39-47. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.006

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  由于可以补偿惯性器件在三个轴向上的输出误差,双轴旋转调制技术被广泛应用于捷联惯导系统(SINS)。选择了一种合理且实用的十六次序双轴转位方案,并对其调制原理和误差进行了分析。初始对准技术是捷联惯导系统的一项重要技术,其对准精度直接决定了后续导航的精度。在粗对准完成后,当姿态误差角较大时,后续的精对准误差模型呈非线性特性,故选择了滤波精度高、稳定性强的平方根容积Kalman滤波算法(SCKF)来解决这一问题。考虑到在实际对准过程中,量测噪声的统计特性易发生变化,将SCKF算法与Sage-Husa算法相结合,在传统Sage-Husa SCKF算法的基础上提出了一种改进的自适应滤波算法(ASCKF)。该算法采用QR分解来完成对噪声协方差的平方根矩阵估计,从而避免了传统Sage-Husa SCKF算法中所估噪声协方差矩阵不正定的问题。最后,通过仿真证实了ASCKF算法可被很好地应用于量测噪声统计特性发生变化的初始对准中。
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  基于矢量跟踪的MEMS-SINS/GNSS深组合导航系统

  赵志鹏, 王新龙

  导航与控制. 2019, 18(6): 48-54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.007

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  针对在载体高动态运动时,由Doppler频移剧烈变化而导致的MEMS-SINS/GNSS组合导航系统精度降低的问题,修正了GNSS卫星信号模型,设计了一种深组合导航通道滤波器,并形成了完整的深组合导航方案。基于矢量跟踪结构的深组合导航方案,通过滤波器对载体的导航参数进行估计,将相互独立的各通道信息结合起来,并利用各卫星位置之间的关系,提高了高动态环境中的跟踪能力。仿真结果表明,基于矢量跟踪结构的深组合导航方案可以有效减少高动态对导航精度的影响,提高组合导航系统的输出精度。
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  BDS-3观测数据质量分析及精密定轨

  杨鸿毅, 王潜心, 毛亚, 胡超, 何义磊

  导航与控制. 2019, 18(6): 55-61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.008

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  当前,北斗卫星导航定位系统正处于快速发展阶段,在全球GNSS卫星导航定位领域中受到了越来越多的关注,分析BDS-3卫星观测数据质量以及钟差性能对中国北斗导航事业的发展与应用具有重要意义。深入分析了IGMAS监测站BDS-3卫星的数据质量,同时采用现有的观测数据进行了BDS-3卫星三天弧段的定轨实验。结果表明,轨道重叠弧段1D RMS径向优于20cm,钟差重叠弧段STD精度优于1ns。为准确掌握BDS-3卫星钟差的时频特性,利用估计的钟差数据计算了BDS-3卫星钟差频率稳定性指标,其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别为4.64×10^-13、8.55×10^-14和1.28×10^-14,相对于BDS-2系统最高提升了25.89%。
控制理论与方法
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  障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法

  张世俊, 邢琰, 胡勇

  导航与控制. 2019, 18(6): 62-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.009

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  为提高轮足复合机器人在障碍地形下的稳定性与通行效率,提出了一种轮足复合越障步态规划方法。首先基于轮足复合运动模式提出了一种机器人位姿调整算法,并给出了相应的足端轨迹方程与重心轨迹方程。其次基于轮足复合运动的运动学方程,给出了位姿调整阶段的轮速规划算法,使得每条腿足端轮子的滚动速度与足端的轨迹相匹配,以确保轮子在地面滚动时不发生滑动。虚拟样机仿真结果表明,应用该步态规划算法,机器人能够自主平稳地穿越障碍地形,从而验证了方法的有效性。
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  基于PSO的船体动态变形模型参数在线辨识

  于东康, 杨功流, 谢祖辉

  导航与控制. 2019, 18(6): 71-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.010

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  在船体变形测量领域,惯性量匹配法凭借其高精度、易实现的优点成为了时下的研究热点。详细介绍了角速度匹配法进行船体变形角估计的原理,针对算法中动态变形模型(二阶Markov)参数难以确定的问题,推导了两套INS的角增量输出差值与动态变形角之间的关系,建立了利用角增量差值的自相关函数进行求参的理论依据。在求参工具上选择了粒子群算法,借助指数衰减正弦信号的形式建立算法模型,并且合理设置算法参数,最终形成一套完整的在线辨识方案。仿真实验证实,该方案能够实现动态变形模型参数的精确辨识,辨识精度较高,且SNR门限低。最终的变形角估计结果表明,结合该参数辨识算法,船体变形角估计误差可控制在10″左右,证明了该方法的可行性。
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  基于比例归一化LMS算法次级通道模型辨识

  陈媛媛, 周德好, 王强

  导航与控制. 2019, 18(6): 80-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.011

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  将主动噪声控制技术应用于地铁通风隧道的噪声控制上,其应用效果在很大程度上取决于信号处理的实时性。在保证控制算法收敛的基础上,要求算法收敛速度尽可能快,以确保对声波变化的准确跟踪,据此产生匹配的振幅相等、相位相反的次级声信号,进而对噪声进行控制。利用比例思想对LMS算法进行改进,为小系数配上小的步长因子,为大系数配上较大的步长因子。最后,将其应用在地铁通风隧道的次级声通道模型的辨识上,并与常用的LMS算法在收敛速度、稳态失调性能上做出比较。数值分析结果表明,采用改进后的LMS算法能够有效地加快算法收敛,改善算法的稳态失调性能。
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  基于SOA-Newton迭代的六自由度平台正解算法

  陈泽栋, 卢明涛, 闵跃军, 马建明, 丁祝顺, 王宏建

  导航与控制. 2019, 18(6): 87-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.012

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  运动学正解是实现六自由度平台高精度控制和三维可视化仿真的基础,但是传统方法存在着求解难度大、精度低的缺陷。针对Newton-Raphson迭代法求解时依赖迭代初值的问题进行了研究,提出了一种基于SOA-Newton迭代的六自由度平台正解混合算法。该混合算法充分发挥了SOA算法的群体搜索性和拟Newton法的局部细致搜索性,同时也克服了粒子群算法后期搜索效率降低和Newton法对初始点敏感的缺陷。以研制的车载位姿平台为例,在Simulink软件中建立了混合求解算法的仿真模型,给出了计算实例,并与单独的Newton-Raphson迭代法和SOA算法进行了对比。对比结果表明,SOA-Newton混合算法具有极好的稳定性和较高的收敛速度及精度,更能满足工程实际应用。
传感器与执行机构
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  SERF陀螺气室温度对碱金属谱线漂移的影响

  秦亮, 石猛, 王天顺, 秦徳鑫, 王学锋

  导航与控制. 2019, 18(6): 95-99. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.013

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  SERF陀螺具有高精度、小体积和双轴输出等特点,是新型陀螺技术中重要的发展方向之一。SERF陀螺中,碱金属气室的吸收峰谱线变化对SERF陀螺性能具有重要影响。重点研究了SERF陀螺原子气室温度对⁸⁷Rb吸收谱D₁线和D₂线谱线移动的影响,随着温度变化,D₁线和D₂线有着相反的移动方向,频率移动系数分别为30.4MHz/K和-45.4MHz/K。碱金属吸收谱线移动会引起泵浦激光极化原子效率降低,进而导致SERF陀螺零偏稳定性变差。
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  一种新型的低噪声硅微机械陀螺电容读出电路

  吴传奇, 张欢阳, 童紫平, 龙善丽, 贺克军

  导航与控制. 2019, 18(6): 100-106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.014

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  陀螺系统的微机械敏感结构部分的性能提升受到成本、工艺的限制,有较高难度,故提升接口电路的各项性能成为提升整个系统性能的关键。因此,电容读出电路作为微机械陀螺系统中非常重要的组成部分,该电路性能的优劣直接决定着陀螺的测量精度。为实现硅微陀螺高精度检测,设计了一款低噪声的电容读出电路。在陀螺与读出电路之间设计斩波开关,基于斩波技术进行低噪声设计,采用相关双采样技术用来降低关键的第一级放大电路的低频闪烁噪声和开关噪声。采用了一种简化的陀螺测试模型,用于读出电路的独立测试。读出电路在0.18μm CMOS工艺下设计流片,测试结果表明,该电容读出电路输出噪声为-122.8dBV/Hz^1/2,可实现0.06aF/Hz^1/2的电容分辨率。
测试与计量
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  基于陀螺系的速率偏频惯性测量组合标定方法

  江一夫, 陈勇

  导航与控制. 2019, 18(6): 107-113. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.015

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  激光陀螺速率偏频技术既解决了激光陀螺锁区的问题,避免了机抖偏频频繁过死区而产生的随机游走等误差,同时结合了旋转调制技术积分平均对消惯性器件常值零偏的优点。在工程实际中发现,由于速率偏频系统独有的倾斜安装方式,常规标定方案无法实现对激光陀螺标度因数的精确标定。提出了一种新的基于陀螺系的标定方法,相比于常用的以加速度计敏感轴为基准的标定方法,激光陀螺敏感轴具有相对较低的温度敏感性,既能够提高长时间工作条件下空间姿态基准的稳定性,又能保证激光陀螺安装角和标度因数的逐次标定精度。最后,通过试验数据分析简单阐明了常规标定方法存在的问题,利用7个月内的4次标定试验验证了所提出的标定方法的有效性。结果表明,激光陀螺安装角标定重复性优于4.3″,标定因数重复性优于4×10^-6。
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  基于三频外差法的异构铸件三维测量系统

  惠宏超, 严小军, 罗凯元, 张晓玲, 王静

  导航与控制. 2019, 18(6): 114-120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.06.016

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  惯性平台中的台体和本体均为复杂异构铸件,目前多采用人工划线法建立多个基准来进行测量,效率和精度低,易漏检误检。基于多频外差法的三维光学测量系统已广泛应用于航空、航天等制造领域,根据被测铸件异构的特点,结合双目视觉和相位光栅法较高的检测效率和精度,搭建了一套三维测量系统。首先通过平板标定法得到系统的固定参数和可变参数,然后利用数字光栅投影仪向被测零件表面投射三套不同频率的相移条纹图,相机同步采集变形条纹图,再利用四步相移和三频外差法得到周期为1的相位分布,以此为基准展开得到连续分布的绝对相位,结合极线约束和相位匹配重建出被测零件的三维点云数据,最后在三维软件中完成点云处理、曲面重构和三维测量。实验结果表明,系统的绝对测量精度小于0.1mm,能够实现异构铸件的三维尺寸测量,具有较高的检测效率。