具有丢包现象的多速率传感器分级融合装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种气垫船的运动参数数据融合方法，特别是一种具有丢包现象 的多速率传感器分级融合方法。
【背景技术】
[0002] 气垫船是一种能够实现高速航行的特殊新型现代船舶。由于航行时阻力小，航行 速度可达200km/h。航行主要靠空气流产生的向心力，该向心力一般都较小，因此，在风浪影 响下，如果对运动参数估计不恰当，就容易造成控制的超调，严重的会导致侧漂或翻船。
[0003] 实际中气垫船在海面航行时，由于受海浪扰动的影响，气候条件比较复杂，运动参 数诸如纵倾、横倾将会有较大的波动，而气垫船运动速度一般又较快，对这些参数难以及时 精确的估计。
[0004] 传感器测量数据在复杂环境下传输很容易发生数据丢失，即丢包现象，当前的气 垫船运动学方程还没有考虑到这一现象，更没有一种有效的方法来处理丢包问题，而且传 统的融合方法，如果观测数据长时间丢失，将会增大估计误差，甚至造成发散。
[0005] 同时由于环境的复杂性，使用单一的传感器，很容易受到相关干扰的影响，使得运 动参数的估计值误差增大，针对这一问题，当前还没有建立一种有效的融合机制来克服相 关性带来的影响。也没有建立一种能够有效的应用于气垫船运动参数的数据融合方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种能实现气垫船测量丢包时的自适应融合，提高操控水 平和航行稳定性的具有丢包现象的多速率传感器分级融合装置。本发明的目的还在于提供 一种具有丢包现象的多速率传感器分级融合方法
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 本发明的具有丢包现象的多速率传感器分级融合装置包括1~N个子系统和中心 融合单元，每个子系统由检测单元、滤波器、切换单元和转换控制器组成，检测单元进行观 测值的检测，滤波单元通过观测值对气垫船运动参数进行状态估计，切换单元用于判断是 否使用该子系统进行融合，中心融合单元对选中的子系统进行进一步的融合。
[0009] 所述检测单元由1~N个不同采样速率的传感器组成。
[0010] 本发明的具有丢包现象的多速率传感器分级融合方法为：
[0011] (1)检测单元，基于系统的运动方程，得到不同速率下的传感器观测值；
[0012] ⑵滤波器基于步骤⑴的观测值，使用扩展卡尔曼滤波方法，对观测值进行滤 波；
[0013] (3)转换控制器，根据检测的丢包步数和滤波误差，来判断是否剔除当前时刻该子 系统的滤波值，决定是否发送该子系统数值到达下一级融合中心；
[0014] (4)中心融合单元，基于步骤（3)选择出来的满足条件的子系统进入融合中心，进 行进一步的融合。
[0015] 本发明提出了一种气垫船运动参数数据融合方法，目的在于实现气垫船测量丢包 时的自适应融合。当传感器子系统长期无观测值时，能够自动剔除，实现子系统的自适应融 合，进而提高系统的容错性，同时提高参数的融合精度。提高操控水平和航行稳定性。
[0016] 带有不同速率的传感器组成的子系统检测单元，各个检测单元分别以自身的速率 对数据进行观测，进而将测量值作为滤波单元的输入。滤波器的输入为检测单元的输出值。 建立具有丢包现象的滤波算法，得到状态估计值。切换单元通过检测连续丢包时长来确定 是否采用此子系统参与中心式融合。根据观测值变化情况，建立切换判据实现子系统的自 适应切换。中心融合单元基于各个子系统估计值，采用自适应加权系数对气垫船运动参数 进行融合。
[0017] 本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：首先建立了由不同速率组成的多传 感器子系统，这样克服了单一传感器易受相关干扰的影响，并且与单传感器系统相比具有 高精度，高容错性的优点；然后，针对每一个子系统，对于气垫船丢包现象，进行了建模，这 样使得丢包问题形象化，具体化；基于新的丢包模型建立传感器子滤波算法，进行状态估 计，这样各个子系统以不同的速率独立的进行观测和滤波，可以有效地较弱突变型噪声对 整个系统的干扰，比同速率多传感器系统具有更强的抗干扰能力；同时增加了转换控制器， 它能够记录连续丢包时长和各个子系统的滤波误差，当子系统连续丢包时长过长或滤波误 差过大时，装换控制器就会自主的进行切换，从而屏蔽该子系统，禁止其进入下一级融合中 心，而选择正常的子系统作为下一级融合值，如此，可有效的防止子系统故障对整个系统的 影响。从而使整个系统具有高容错性，高精度的优点。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的具有丢包现象的多速率传感器分级融合装置整体结构框图。
[0019] 图2是本发明具有丢包现象的多速率传感器分级融合方法原理框图。
[0020] 图3融合中心结构框图。
[0021 ] 图4子系统算法流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0023] 结合图1，本发明的具有丢包现象的多速率传感器分级融合装置包括1~N个子系 统和中心融合单元，每个子系统由检测单元、滤波器、切换单元和转换控制器组成，检测单 元进行观测值的检测，滤波单元通过观测值对气垫船运动参数进行状态估计，切换单元用 于判断是否使用该子系统进行融合，中心融合单元对选中的子系统进行进一步的融合。
[0024] 结合图2,本发明的具有丢包现象的多速率传感器分级融合方法步骤如下：
[0025] 1.以气垫船六自由度位置参考系统为研究对象，气垫船的运动状态模型是：
[0026]
[0027] 其中Φ为艏向角，Θ为纵倾角，ζΡ为横倾角。u、v、w为轴向速度。p、r、q为姿态 角速度。ξ，η，ζ表示转化为固定坐标系下的坐标基底。
[0028] 由系统微分方程式（1)可得呙散化系统方程：
[0030] 其中，状态变量武系统过程噪声w(k-l)是高斯白噪声。
[0031] 观测方程为：
[0033] 其中，观测向量I6X6，测量噪声Vl(t)是高斯白噪声序列。
[0034] 接收方程为：
[0036] 其中Zl (k)表示k时刻第i个子系统实际接收到的观测值，ζ表示传感器的丢包 发生的概率，