实际上，通常采用多个传感器进行状态估计，以便为控制系统提供足够的导航信息，以有效地执行所需的任务。但有些传感器提供的数据具有较低的更新速率（如GPS），而其他传感器则以高速率提供数据。融合这些测量的状态估计方法在准确可靠的导航信息上具有明显的优势。
2011年，Vasconcelos等人开发了在DELFIMx双体船（如图5.7所示）上使用捷联惯性测量、矢量观测和GPS辅助的基于位置和姿态估计的互补滤波的导航系统，互补滤波器提供以欧拉角表示的姿态估计、以地球坐标系表示的位置估计，同时对速率陀螺仪偏差进行补偿。其计算要求很小，因此适用于使用低成本传感器并在低功耗硬件上运行，同时也针对不同速率的传感器，提供了一种简单而有效的体系结构，适用于自动载具的应用。
为了成功地执行任务，USV系统需要一个可靠的基于低功耗、廉价硬件的机载系统，能够有效地集成惯性和辅助传感器套件的信息。
图5.7 DELFIMx双体船
该系统基于互补滤波理论，利用一个或多个位于互补频段的传感器的测量值来估计未知信号。假设未知信号具有噪声类特征，通常不符合信号描述，互补滤波利用冗余的传感器，在不失真信号的情况下，成功地抑制了互补频率区域的测量干扰。虽然在进行设计时忽略了噪声随机描述，导致实际互补滤波器的性能略有下降，但在出现超出预期方差的不规则度量时却有利于整体性能。
如图5.8所示，互补滤波器结构由姿态滤波器和位置滤波器组成。在离散时间中，姿态滤波器基于速率陀螺读数（有偏差）和矢量观测（如磁场和摆锤读数）的结果，重建USV的船体姿态。位置滤波器利用加速度计读数和GPS来估计USV的速度和其在地球内的位置。
图5.8 互补滤波器结构
导航系统结构的设计体现出低成本、低功耗的硬件架构特点。作为经典且简单的空间状态表示方法，欧拉角是姿态滤波器刚体空间状态输出。滤波器的设计采用稳态反馈增益。经典导航系统，如基于EKF算法的导航系统，需要在线计算协方差和增益，这可能会极大程度地占据低功耗低性能系统的计算资源。它们采用的互补滤波器是时变的，但所采用的增益是常数，并利用辅助时不变设计系统进行离线计算，因此得到了一种计算成本低廉、稳定可靠的ASCs微调轨迹的体系结构，该体系结构易于在低成本的软硬件中实现和测试，且具有优异的性能。利用DELFIMx双体船在海上试验中获得的试验数据，对导航系统的性能结果进行了验证。
欧拉角坐标下的姿态观测是利用地球磁场和引力场这两个矢量的体-地坐标系表示来确定的。利用矢量测量来确定姿态的问题在文献中称为正交Procrustes问题或Wahba问题。这项工作中采用确定性的方法计算欧拉角观测作为解决方案，类似于TRIAD算法。注意，可以用其他的姿态重建算法和传感器得到结果。通过磁力计测量磁场矢量，通过摆动传感器-加速度计测量俯仰角，无人船在自主运动时经常会进行短期线性加速。通过适当设计互补滤波器，在频域中补偿线性加速度的影响。
DELFIMx是一艘4.5 m长、2.45 m宽的小型双体船，质量为300 kg，由电动机驱动的两个螺旋桨确保推进，相对于水的最大额定速度为6 kn。对于综合指导和控制，由于其增强的性能，采用了路径跟踪控制策略，这转化为更平滑的路径收敛和对控制工作的更少需求。该载具具有翼形中央结构，在该结构的底部安装了可以承载声换能器的低阻力体。对于测深操作和海底表征，机翼配备了机械扫描铅笔束声呐和侧扫声呐。实际系统采用（DSP）TITMS320C33作为CPU，而IMU传感器采用捷联系统架构，一个三轴XBOWCXL02LF3加速度计和沿三个正交轴安装的三个单轴硅传感CRS03速率陀螺仪，采用56 Hz的频率进行采样，德州仪器ADS121进行模数转换，ADS1210在差分输入条件下可以提供20位有效数字的高精度模数转换结果，符合系统的需求。同时还配备了霍尼韦尔HMR3300磁性传感器，采样率8 Hz，因为其工作频率与IMU差距较大，采用多传感器信息融合算法进行位置估计，同时采用THALESDG14作为GPS信号接收机，在以其自主工作模式运行时可以提供3.0 m的误差半径，DG14的工作频率为4 Hz。
姿态和位置滤波器设计用于产生一个闭环频率响应，它混合了惯性和辅助传感器测量的互补频率内容。在这个频域框架中，采用状态和测量权矩阵作为调谐参数，用稳态卡尔曼滤波器增益来识别滤波器增益。(www.xing528.com)
如图5.9所示，磁性传感器和GPS的低频区域与IMU惯性测量的开环积分的高频内容混合，最后获得比较好的滤波结果。
图5.10为DELFIMx的轨迹估计结果，图5.10a为xy平面的轨迹，图5.10b为z轴下的轨迹结果，小图为t=505～510 s的局部放大。
图中5.11a所示为偏航角，图中5.11b所示为翻滚角和俯仰角。从图中可以发现，由于平台转动、波浪的干扰以及螺旋桨引起的船体振动，俯仰角和翻滚角会围绕着平均值进行波动，当USV转弯时波动会变大，在760～880 s处的障碍物轨迹下翻滚角和俯仰角变大达到峰值。
在DELFIMx双体船上的实验结果验证了所提出的导航系统结构。所采用的设计参数在频域内产生了理想的传感器融合结果，在时域内产生了良好的姿态位置估计和速率陀螺偏置补偿结果。姿态、位置估计与航迹剖面一致，表明所提出的互补滤波结构适合于海洋应用研究。
图5.9 频域上传感器的混合方式
图5.10 DELFIMx的轨迹估计结果
图5.11 运动过程中偏航角、翻滚角和俯仰角的变化
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