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论文阅读《Integrity Monitoring Techniques for Vision Navigation Systems》
2022-04-23 09:37:00 【YMWM_】
1 摘要
在航空应用中,导航完好性至关重要。GPS系统的完好性是建立在既定标准之上的。视觉导航系统已被认为是全球定位系统的适当替代品,在无法使用时,但在没有系统完好性的措施之前不太可能使用。我们已经做了一些工作来检测带有偏差的单个测量对的影响;然而,测量几何形状随环境变化很大。环境可以是稀疏的视觉特征来跟踪,或者环境可以是丰富的特征。有了更多的特征,就有更大的可能性有多个损坏的测量。为了保证系统的完好性和可靠性,检测和排除多个损坏测量是至关重要的。本文主要研究了现有的完好性监测方法,并将其应用于基于视觉的导航系统中的多故障检测。目前的技术被发现有能力检测单个或多个故障,但这些技术并不能排除这些故障。本文开发了一种算法,具有排除多个故障测量的能力,增加了现有的完好性监测故障检测和排除技术的能力。
2 介绍
现代航空航天操作需要精确的导航系统。这些操作包括民用飞机进近、离场和航路导航的基本需求。需要导航的其它军事行动包括精确轰炸、空中加油、编队飞行和无人操作。GPS的产生和发展为民用和军用导航用户带来了卓越的精度和准确性。随着更多的全球导航卫星系统(GNSS)的安装,性能水平可能会继续提高。该系统或任何其它系统所能达到的精度是基于给定当前操作条件和传感器测量质量的系统估计真实位置的能力。不管系统如何,建模误差、环境因素和设备限制都阻碍了对真实位置的完美估计。
惯性导航系统(INS)使用特定的力和角速度测量来估计车辆的位置、速度和方向。惯导系统的测量由惯性测量单元(IMU)产生,IMU由加速度计和陀螺仪组成。这种类型的导航具有独立于外部信号的优点,因此不可能被干扰或欺骗。因此,它是一个非常有用的系统,军事应用和关键的民用系统。不幸的是,该系统也非常依赖于传感器的质量,并受到传感器失准、漂移和由于传感器材料和设计的限制而产生的偏差的影响。此外,加速度计所测得的比力与重力有关。用于将特定力转换为加速度的重力模型中的误差也会导致系统误差。
惯性导航系统的工作原理是将加速度随时间的测量值进行积分,从而获得位置。这种积分过程导致测量中的误差随着时间的推移而累积和二次增长,导致系统精度随时间下降。由于这一限制,独立的INS主要用于短期导航。对于长期导航,一个惯导系统与另一个导航系统如GPS相结合。通过将两个系统融合在一起,惯导系统可以在误差包络的情况下运行,融合后的结果优于单独运行的结果。这仍然使导航系统脆弱,因为它依赖外部信号来操作GPS。这些外部射频信号可能被干扰或欺骗,使系统失效或导致故障的导航解。
正是这种与外部信号有关的脆弱性导致了对其它优秀导航系统的研究。为了消除对全球导航卫星系统的依赖,正在探索的一种替代办法是将惯导系统和视觉系统结合起来。这样的系统不依赖于外部信号,是完全被动的,没有射频发射。不发射信号对隐形应用程序来说是一个好处,并确保如果这样的系统大规模使用,在频谱分配方面不会出现问题。这样的系统也可以非常小、便宜,相对于GPS系统,操作所需的功耗很少。
引用的研究表明了视觉辅助导航系统在许多不同配置下的可行性。这些建议的系统被证明能在航空应用所需的水平上提供合理的精度。可用的精度取决于所使用的相机系统、上述INS测量误差、特征跟踪算法、车辆轨迹和图像场景。
随着视觉辅助惯性导航系统迅速发展成为全球定位系统的可行替代品,针对视觉导航系统完好性监测的研究已经开展。在被引用的研究中,迈出了重要的第一步;对GPS完好性监测方法进行了重新定义,并将其应用于视觉系统。然而,在这些方法中,假设只有一个不好的测量。对于GPS来说,这是一个很好的假设,但在视觉系统中,随着跟踪的特征数量的增多,多故障的概率也会增加。
本文主要研究了现有的完好性监测方法,并将其应用于基于视觉的导航系统中的多故障检测。
2.1 数学符号
为了清晰起见,以下是将在本提案中使用的数学符号的描述:
标量:标量用斜体字表示,如 a a a或 b b b。
向量:向量用小写粗体字母表示,如 a \pmb{a} aaa或 b \pmb{b} bbb,通常以列的形式表示。
矩阵:矩阵用粗体大协字母表示,如 A \pmb{A} AAA或 B \pmb{B} BBB,矩阵的标量值可以引用为 A i j A_{ij} Aij,包含第 i i i行和第 j j j列元素。
转置:一个向量或矩阵的转置用上标 T T T来表示,如 a T \pmb{a}^T aaaT。
估计变量:随机变量的估计值通过添加一个“帽子”符号来表示,例如 a ^ \hat{a} a^。
计算和测量变量:由于被测量而包含误差的变量由波浪符号区分,如 a ~ \tilde{a} a~。
参考系:导航向量是相对于参考系定义的,上标字母用来表示当前的参考系,如 x a \pmb{x}^a xxxa。
方向余弦矩阵:方向余弦矩阵是将向量从一个参照系旋转到另一个参照系的矩阵,如 C a b C_a^b Cab,当左乘一个向量时,表示将向量从a坐标系转换为b坐标系。
单位矩阵:单位矩阵用大写字母I表示,如 I I I。
相对位置或运动:当一个向量表示相对位置或运动时,下标组合在一起,如 p a b c \pmb{p}_{ab}^c pppabc,表示a坐标系相对于b坐标系的位置,该位置向量表示在c坐标系中。
2.2 论文布局
第3节介绍了本工作需要了解的相关背景。在第3.5节中,概述了目前在GPS完好性监测中使用的方法。第3.7节,回顾了当前视觉导航系统完好性监测的文献。第4节介绍了一种检测和排除多故障的方法,该方法的结果见第5节。第6节是本文的结束语。
3 背景
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4 视觉系统中的多故障
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5 结果
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