Preview

Гироскопия и навигация

Расширенный поиск

Усовершенствованный алгоритм многоальтернативной фильтрации на основе байесовских сетей и его применение в интегрированной навигационной системе

EDN: DXLKCS

Аннотация

Неопределенность параметров и нестабильность модели интегрированной навигационной системы типичны для неупорядоченной среды. В таких системах большие погрешности оценивания чаще всего возникают тогда, когда для решения навигационных задач используется одна модель. Для устранения этой проблемы предложен алгоритм взаимосвязанной многоальтернативной фильтрации (interacting multimodel – IMM), усовершенствованный за счет использования байесовских сетей (BNIMM). Алгоритм предусматривает введение параметров движения, определенных с помощью многоальтернативной оценки, и формирование байесовских сетей на основе причинно-следственной связи между переменными и моделью системы. Характеристики байесовской сети используются для модификации вероятностей переключения моделей при многоальтернативном оценивании, что может снизить зависимость распознавания действительной модели от априорной информации, задействуемой в алгоритме IMM.
Предлагаемый подход позволяет решать такие проблемы, как запаздывание смены модели и вероятное изменение модели в алгоритме IMM, и повышать адаптивность алгоритма IMM. Метод BNIMM использовался в качестве локального субфильтра в федеративном фильтре, что дало возможность сформировать архитектуру объединения информации, полученной от интегрированной навигационной системы в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), глобальной навигационной спутниковой системы (GPS) и одометра. В ходе испытаний выходные данные гироскопа и акселерометра были взяты в качестве характеристических переменных для построения байесовской сети, которая применялась для прогнозирования в динамическом режиме неопределенности в интегрированной навигационной системе. Полевые тесты на дорогах показали, что предложенный федеративный алгоритм BNIMM может значительно повысить стабильность и точность оценки состояния интегрированной навигационной системы.

Об авторах

Лэй Ван
Колледж радиоэлектроники, Университет Чаоху; Аньхойский центр технических исследований по комплексированию информации и управлению интеллектуальными роботами
Китай

Ван Лэй. Профессор

Хэфэй

Уху, Аньхой



Гуй Тин Яо
Колледж радиоэлектроники, Университет Чаоху
Китай

Яо Гуй Тин. Аспирант

Хэфэй



Тин Ли
Колледж радиоэлектроники, Университет Чаоху
Китай

Ли Тин. Преподаватель

Хэфэй



Мин Юй Чжан
Колледж радиоэлектроники, Университет Чаоху
Китай

Чжан Мин Юй. Студент

Хэфэй



Список литературы

1. Lu, H., Wang, P., Qu, T., Chen, H., Zhang, L., and Hu Y., Moving horizon estimation with variable structure interacting multiple model for surrounding vehicle states in complex environments, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2024, vol. 25(12), pp. 19943–19961, https://doi.org/10.1109/TITS.2024.3467042.

2. Lei, W., Shicheng, X., Hengliu, X., Shuangxi, L., and Le, W., Robust visual inertial odometry estimation based on adaptive interacting multiple model algorithm, International Journal of Control, Automation and Systems, 2022, vol. 20, pp. 3335–3346, https://doi.org/10.1007/s1255502007812.

3. Gomaa, M. A. K., De Silva, O., Jayasiri, A., and Mann, G.K.I., Towards consistent visualinertial navigation for unmanned aerial vehicles using depth information, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2021, vol. 57, pp. 1423–1442, https://doi.org/10.1109/CCECE49351.2022.9918398.

4. Cadena, C., Carlone, L., Carrillo, H., Latif, Y., Scaramuzza, D., and Neira, J., Past, present, and future of simultaneous localization and mapping: Toward the robustperception age, IEEE Transactions on Robotics, 2016, vol. 32, pp. 1309–1332, https://doi.org/10.1109/TRO.2016.2624754.

5. Choi, J. and Maurer, M., Local volumetric hybridmapbased simultaneous localization and mapping with moving object tracking, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2016, vol. 17, pp. 2440–2455, https://doi.org/10.1109/TITS.2016.2519536.

6. Yong, H. K., Min, J. C., Eung, J. K., and Jin, W. S., Magnetic map matching aided pedestrian navigation using outlier mitigation based on multiple sensors and roughness weighting, Sensors, 2019, vol. 19(21), p. 4782, https://doi.org/10.3390/s19214782.

7. Lei, W. and Shuangxi, L., Enhanced multisensor data fusion methodology based on multiple model estimation for integrated navigation system, International Journal of Control, Automation and Systems, 2018, vol. 16, pp. 295–305, https://doi.org/10.1007/s125550160200x.

8. Johnston, L.A., Krishnamurthy, V., An improvement to the interacting multiple model (IMM) algorithm, IEEE Transactions on Signal Processing, 2001, vol. 49(12), pp. 2909–2923, https://doi.org/10.1109/78.969500.

9. Blom, H. A. P and BarShalom, Y., The interacting multiple model algorithm for systems with Markov switching coefficients, IEEE Transactions on Automatic Control, 1988, vol. 33, pp. 780–783, https://doi.org/10.1109/9.1299.

10. Li, X. R., Jilkov, V. P., Ru, J. F., and Bashi, A., Multiplemodel estimation with variable structure. Part VI: expectedmode augmentation, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, pp. 853–867, https://doi.org/10.1109/TAES.2005.1541435.

11. Hwang, I., Seah, C. E., and Lee, S., A study on stability of the interacting multiple model algorithm, IEEE Transactions on Automatic Control, 2017, vol. 62(2), pp. 901–906, https://doi.org/10.1109/TAC.2016.2558156.

12. Luo, X. B., Wang, H. Q., and Li, X., Interacting multiple model algorithm with adaptive Markov transition probabilities, Journal of Electronics and Information Technology, 2005, vol. 27, pp. 1539–1541, https://doi.org/10.1081/CEH200044273.

13. Liang, Y., Zhou, D. H., and Pan, Q., Multiple model estimation represented by Bayesian networks, Proc. Fourth World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA’04), Shanghai, 2002, pp. 863–866, https://doi.org/10.1109/WCICA.2002.1020696.

14. Yang, Y., Liu, X., Liu, X., Guo, Y., and Zhang, W., Modelfree integrated navigation of small fixedwing UAVs full state estimation in wind disturbance, IEEE Sensors Journal, 2022, vol. 22, pp. 2771–2781, https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3139842.

15. Shi, W., Xu, J., He, H., Li, D., Tang, H., and Lin, E., Faulttolerant SINS/HSB/DVL underwater integrated navigation system based on variational Bayesian robust adaptive Kalman filter and adaptive information sharing factor, Measurement, 2022, vol. 10, pp. 196–225, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111225.

16. Beauvisage, A., Ahiska, K. and Aouf, N., Robust multispectral visualinertial navigation with visual odometry failure recovery, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2022, vol. 7, pp. 9089–9101, https://doi.org/10.1109/TITS.2021.3090675.

17. Chang, T., Zhao, L., Zeng, Q., Hu, Y., Tao, X., and Ji, X., Variational Bayesianbased adaptive errorstate Kalman filter with application on LiDARinertial integrated navigation system, IEEE Sensors Journal, 2024, vol. 24(13), pp. 21331–21338, https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3402313.

18. Wang, Z., Li, X., Zhu, Y., Li, Q., and Fang, K., Integrity monitoring of global navigation satellite system/ inertial navigation system integrated navigation system based on dynamic fading filter optimization, IET Radar, Sonar and Navigation, 2022, vol. 16, pp. 515–530, https://doi.org/10.1049/rsn2.12199.

19. Hosseini, S.M., Ranjbar, N.A., and Sadati, R.S.J., Integrated navigation system (INS/auxiliary sensor) based on adaptive robust Kalman filter with partial measurements, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2023, vol. 45, pp. 316–330, https://doi.org/10.1177/01423312221112192.

20. Du, S., Huang, Y., Lin, B., Qian, J., and Zhang, Y., A lie group manifoldbased nonlinear estimation algorithm and its application to lowaccuracy SINS/GNSS integrated navigation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, vol. 71, pp. 2927–2954, https://doi.org/10.1109/TIM.2022.3159950.

21. Taghizadeh, S., Nezhadshahbodaghi, M., Safabakhsh, R., and Mosavi, M.R., A lowcost integrated navigation system based on factor graph nonlinear optimization for autonomous flight, GPS Solutions, 2022, vol. 26, pp. 78–93, https://doi.org/10.1007/s10291022012659.

22. Xiao, Y., Luo, H., Zhao, F., Wu, F., Gao, X., Wang, Q., and Cui, L., Residual attention networkbased confidence estimation algorithm for nonholonomic constraint in GNSS/INS integrated navigation system, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, vol. 70, pp. 11404–11418, https://doi.org/10.1109/TVT.2021.3113500.

23. Khalife, J. and Kassas, Z.M., A static reducedorder multiplemodel adaptive estimator for noise identification, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2023, vol. 6, p. 114, https://doi.org/10.1109/TAES.2023.3234523.

24. Yang, Y., Liu, X., Liu, X., Guo, Y., and Zhang, W., Variational adaptive LMIEKF for full state navigation system of wind disturbance and observability analysis, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, vol. 71, p. 112, https://doi.org/10.1109/TIM.2022.3191713.

25. Zhang, X., He, B., Gao, S., Mu, P., Xu, J., and Zhai, N., Multiple model AUV navigation methodology with adaptivity and robustness, Ocean Engineering, 2022, vol. 254, p. 111258, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.111258.

26. Thanh, L. H., Phung, S. L., and Bouzerdoum, A., Bayesian Gabor network with uncertainty estimation for pedestrian lane detection in assistive navigation, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2022, vol. 32, pp. 5331–5345, https://doi.org/10.1109/TCSVT.2022.3144184.

27. Liu, X., Liu, X., Yang, Y., Guo, Y., and Zhang, W., Variational Bayesianbased robust cubature Kalman filter with application on SINS/GPS integrated navigation system, IEEE Sensors Journal, 2022, vol. 22, pp. 489–500, https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3127191.

28. Mumuni, F. and Mumuni, A., Bayesian cue integration of structure from motion and CNNbased monocular depth estimation for autonomous robot navigation, International Journal of Intelligent Robotics and Applications, 2022, vol. 6, pp. 191–206, https://doi.org/10.1007/s41315022002262.

29. Hu, Y., He, X., Zhang, L., and Sun, C., IMM fusion estimation with multiple asynchronous sensors, Signal Processing, 2014, vol. 102, pp. 46–57, https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2014.02.019.

30. Carlson, N.A., Federated filter for faulttolerant integrated navigation systems, Position Location and Navigation Symposium (PLANS ‘88), Orlando, 1988, https://doi.org/10.1109/plans.1988.195473.

31. Lyu, W., Cheng, X., and Wang, J., Adaptive federated IMM filter for AUV integrated navigation systems, Sensors, 2020, vol. 20(23), pp. 6806–6830, https://doi.org/10.3390/s20236806.

32. Savage, P.G., Strapdown inertial navigation integration algorithm design. Part 1: Attitude algorithms, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, vol. 21(1), pp. 19–28, https://doi.org/10.2514/2.4242.

33. Savage, P.G., Strapdown inertial navigation integration algorithm design. Part 2: Velocity and position algorithms, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, vol. 21(2), pp. 208–221, https://doi.org/10.2514/2.4242.

34. Seo, J., Lee, J. G., Park, C.G., Lever arm compensation for integrated navigation system of land vehicles, Proc. IEEE Conference on Control Applications, Toronto, 2005, pp. 523–528, https://doi.org/10.1109/CCA.2005.1507179.

35. Hide, C., Moore, T., and Smith, M., Adaptive Kalman filtering for lowcost INS/GPS, Journal of Navigation, 2003, vol. 56(1), pp. 143–152, https://doi.org/10.1017/S0373463302002151.

36. Tupysev, V.A. and Litvinenko, Yu.A., The effect of the local filter adjustment on the accuracy of federated filters, Proc. First Modelling Identification and Control of Nonlinear Systems (MICNON 2015), Saint Petersburg, 2015, pp. 349–354, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.09.208.

37. Gao, S., Zhong, Y., Zhang, X., and Shirinzadeh, B., Multisensor optimal data fusion for INS/GPS/SAR integrated navigation system, Aerospace Science and Technology, 2009, vol. 13(45), pp. 232–237, https://doi.org/10.1016/j.ast.2009.04.006.


Рецензия

Для цитирования:


Ван Л., Яо Г., Ли Т., Чжан М. Усовершенствованный алгоритм многоальтернативной фильтрации на основе байесовских сетей и его применение в интегрированной навигационной системе. Гироскопия и навигация. 2025;33(2):48-71. EDN: DXLKCS

For citation:


Wang L., Yao G., Li T., Zhang M. Bayesian Network Enhanced Multi-model Algorithm and its Application in Integrated Navigation System. Gyroscopy and Navigation. 2025;33(2):48-71. (In Russ.) EDN: DXLKCS

Просмотров: 22


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0869-7033 (Print)
ISSN 2075-0927 (Online)