Использование одного источника навигационной информации с трудом обеспечивает полное оперативное покрытие: GNSS выходит из строя под водой или в городских условиях; доплеровское навигационное устройство ограничено дальностью слежения за дном; одометрия страдает от проскальзывания колес и ошибок масштабного коэффициента; а системы на основе машинного зрения ухудшаются в условиях низкой детализации или при изменяющихся условиях освещения. Основная концепция объединения данных из нескольких источников заключается в использовании взаимодополняющих характеристик различных датчиков для достижения избыточности и отказоустойчивости посредством теории оптимальной оценки. В данной статье систематически анализируются четыре типичных интегрированных режима навигации, основанных на двух измерениях: глубина связи и взаимодополняемость информации.
**Классификация глубины связи**
Интеграцию данных из нескольких источников можно разделить на три уровня в зависимости от глубины обработки информации:
* **Слабая связь** представляет собой самый низкий уровень связи, при котором подсистемы выполняют независимые вычисления, а главный фильтр объединяет параметры навигации, такие как положение и скорость. К ее преимуществам относятся низкая вычислительная нагрузка и простая изоляция неисправностей; однако потеря точности возникает в основном из-за независимого характера вычислений подсистем.
* **Тесная связь** поднимает уровень наблюдения до уровня исходных измерений; исходные данные от инерциального измерительного блока (IMU) и доплеровского измерителя скорости (DVL) непосредственно участвуют в совместном процессе оценки, используя временную корреляцию характеристик ошибок датчиков для достижения более точной оценки.
* **Глубокая связь** делает шаг вперед, интегрируя необработанные сигналы от определенных датчиков в замкнутый контур управления инерциального измерительного блока (IMU), устанавливая прямую обратную связь в области измерений; это представляет собой наивысший уровень связи, обеспечивающий максимальную точность и надежность.
**Принципы четырех интегрированных режимов навигации**
(1) **Интеграция INS/DVL**
Доплеровский измеритель скорости (DVL) измеряет трехмерную скорость аппарата относительно морского дна (или слоя воды) с использованием эффекта Доплера. Интеграция INS/DVL по сути представляет собой процесс фильтрации Калмана, основанный на наблюдениях скорости: измерения скорости с помощью DVL служат внешними наблюдениями для коррекции ошибок скорости INS, тем самым подавляя дрейф положения. Уравнения состояния и уравнения наблюдений могут быть выражены следующим образом:
Матрица ковариации Σ играет центральную роль в определении весовых коэффициентов слияния: чем меньше ковариация (что указывает на меньшую неопределенность), тем выше вес, присваиваемый датчику. DVL имеет наибольший вес, когда отслеживание дна является допустимым; одометрия занимает второе место на ровной местности; а визуальное восприятие обеспечивает боковые ограничения в областях с высокой визуальной текстурой.
Механизм обнаружения и изоляции неисправностей (FDI) в режиме реального времени отслеживает источники наблюдений на наличие аномалий с помощью критерия хи-квадрат или остаточных тестов. Если отслеживание дна с помощью доплеровского лазерного локатора (DVL) выходит из строя, система автоматически переходит в режим слияния INS/одометрии/визуального восприятия; если ухудшается визуальное восприятие, она переключается в режим INS/DVL/одометрии; если остаются только INS и одометрия, она возвращается в режим чистого INS с ограничениями, обусловленными неголономными условиями (NHC). Гетерогенная резервированная конструкция обеспечивает непрерывность навигации, несмотря на отказы в отдельных точках, что позволяет обеспечить бесперебойное покрытие в различных операционных сценариях — от мелководья и глубоководья до придонных подводных сред.
Заключение
Интегрированная навигация с использованием нескольких датчиков — это не просто увеличение их количества; она основана на разумном выборе глубины связи и точном определении ковариационных матриц для достижения взаимодополняющей производительности датчиков. Хотя более глубокая связь обеспечивает более высокую потенциальную точность, она также увеличивает вычислительную сложность и создает проблемы при инженерной реализации; поэтому оптимальная архитектура объединения данных должна выбираться на основе конкретных требований миссии.
оставить сообщение
Отсканируйте QR-код для отправки в WeChat :
