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基于九轴IMU的船舶运动模式识别方法

陈芊芊 胡凤玲 文元桥

陈芊芊, 胡凤玲, 文元桥. 基于九轴IMU的船舶运动模式识别方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(6): 74-83. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.008
引用本文: 陈芊芊, 胡凤玲, 文元桥. 基于九轴IMU的船舶运动模式识别方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(6): 74-83. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.008
CHEN Qianqian, HU Fengling, WEN Yuanqiao. A Recognition Method for Ship Motion Pattern Based on Nine-axis IMU[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(6): 74-83. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.008
Citation: CHEN Qianqian, HU Fengling, WEN Yuanqiao. A Recognition Method for Ship Motion Pattern Based on Nine-axis IMU[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(6): 74-83. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.008

基于九轴IMU的船舶运动模式识别方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.008
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52001237

详细信息
    作者简介:

    陈芊芊(1994—),博士.研究方向:船舶信息智能感知与场景理解. E-mail:chenqq@wbu.edu.cn

    通讯作者:

    文元桥(1974—),博士,教授. 研究方向:船舶信息智能感知与处理. E-mail:wenyqwhut@foxmail.com

  • 中图分类号: TP391.4

A Recognition Method for Ship Motion Pattern Based on Nine-axis IMU

  • 摘要: 运动模式识别是实现船舶智能航行的重要研究方向。针对现有方法中数据更新速度慢、受环境约束大的问题,研究了1种基于九轴惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的船舶运动模式识别方法。分析了当前船舶运动感知技术的不足,提出利用加速度计、陀螺仪和磁力计构成的九轴IMU来识别船舶运动参数。为处理包含多种运动模式的长时间连续信号,提出了1种基于隐马尔可夫模型的数据分割算法,并采用期望最大化算法估算模型参数,实现按运动模式分割信号,提取单一稳态模式信号。分析分割后的运动模式信号,提取能够表征船舶运动模式的时域特征。为提高识别精度,设计了1种基于二叉树结构的支持向量机(support vector machine,SVM)算法,利用最大割问题构建二叉树结构,在决策节点使用SVM分类器,并通过粒子群优化算法优化模型参数。实验基于实船采集的运动数据进行验证,结果表明:所提识别算法只需训练5个SVM子分类器,能够对6种船舶运动模式进行有效识别,平均识别精度达到96.498%。相比传统的一对一和一对多SVM多分类方法,提出的方法平均识别精度分别提高了13.835%和21.305%,且所需训练的子分类器数量更少,验证了方法的优越性与高效性。

     

  • 图  1  船舶运动模式识别框架

    Figure  1.  Framework for ship motion pattern recognition

    图  2  IMU及测量坐标系

    Figure  2.  IMU and measurement coordinate system

    图  3  船舶载体坐标系

    Figure  3.  Ship carrier coordinate system

    图  4  xyz轴方向以及合加速度信号分割结果

    Figure  4.  Segmentation results of xyz axis signals and combined acceleration signals

    图  5  基于二叉树的支持向量机识别算法流程图

    Figure  5.  Flow chart of support vector machine recognition algorithm based on binary tree

    图  6  二叉树识别模型

    Figure  6.  Recognition model of binary tree

    图  7  基于二叉树支持向量机算法的识别结果

    Figure  7.  Graph of recognition results based on binary tree support vector machine algorithm

    图  8  1-V-1算法的识别结果

    Figure  8.  Graph of recognition results of 1-V-1 algorithm

    图  9  1-V-R算法的识别结果

    Figure  9.  Graph of recognition results of 1-V-R algorithm

    表  1  船舶各运动模式明显特征变化统计

    Table  1.   Statistics on the change of distinctive features of each movement mode of the ship

    运动模式 加速度 角速度 姿态
    ax ay az wx wy wz pitch roll yaw
    静止
    加速
    减速
    匀速
    左转
    右转
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    表  2  船舶运动参数特征分析

    Table  2.   Characterization of ship motion parameters

    运动模式 运动参数特征分析
    静止 axayrollpit ch均值基本为0,航向角基本保持不变
    加速 ay均值大于0,且roll均值在[3° 5°] 之间
    减速 ay均值小于0,且roll均值在[1° 2°] 之间
    匀速 ay均值基本为0,且roll均值在[2° 3°] 之间
    左转向 ax先增大后减小且大于0,wz小于yawyaw变小,pitch先减小后增大
    右转向 ax先减小后增大且小于0,wz大于2°/s,yaw变大,pitch先增大后减小
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    表  3  船舶转向运动的组合方式

    Table  3.   Combination of lateral and longitudinal modes of ship steering motion

    运动模式 纵向 横向
    加速 匀速 减速 静止 左转向 右转向
    船舶左转向 -2°/s
    船舶左转向 -2°/s
    船舶右转向
    船舶右转向
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    表  4  船舶运动特征

    Table  4.   Ship motion feature

    特征 提取对象
    均值 axaywzroll
    方差 axay
    极大值极小值 axaywz
    四分位间距 axay
    变化差值 axaywzyaw
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    表  5  第1组识别结果

    Table  5.   Identification results of the first group

    运动模式 样本数量/个 本文识别算法 1-V-1 1-V-R
    误判数/个 识别率/% 误判数/个 识别率/% 误判数/个 识别率/%
    静止 539 0 100 0 100 0 100
    匀速 183 0 100 2 98.90 14 92.34
    加速 116 0 100 0 100 18 84.48
    左转向 106 12 88.67 83 21.69 40 62.26
    右转向 102 11 89.52 30 70.58 77 24.50
    减速 70 0 100 5 92.85 0 100
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    表  6  第2组识别结果

    Table  6.   Identification results of the second group

    运动模式 样本数量/个 本文识别算法 1-V-1 1-V-R
    误判数/个 识别率/% 误判数/个 识别率/% 误判数/个 识别率/%
    静止 287 0 100 0 100 2 99.30
    匀速 294 2 99.31 16 94.55 64 78.23
    加速 302 0 100 0 100 70 76.82
    左转向 66 3 95.45 20 69.69 43 34.84
    右转向 146 19 86.99 51 65.06 4 97.72
    减速 103 2 98.05 22 78.64 50 51.45
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    表  7  分类算法复杂度比较

    Table  7.   Complexity comparison of classification algorithms

    多分类算法 子分类器训练个数 子分类器测试个数
    本文算法 5 3
    1-V-1 15 15
    1-V-R 6 6
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  • 收稿日期:  2024-05-03
  • 网络出版日期:  2025-03-08

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