MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中应用研究

为了实现惯性导航控制,需获取控制对象的姿态角信息,设计了基于MEMS惯性传感器集成模块ADIS16355的姿态测量系统。该姿态测量系统采用ADIS16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。介绍了ADIS16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程,基于ARMv7架构的Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验,测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在?1?左右。     

基于扩展卡尔曼滤波的吊钩姿态估计技术研究 

针对吊钩运动不定且易受大风、雾气等影响其作业效率问题,提出并实现基于MEMS传感器的吊钩姿态估计系统;建立吊钩三维空间运动模型,消除吊钩扭转影响;通过四元数的扩展卡尔曼滤波算法,对MEMS陀螺仪、加速度计与磁强计进行数据融合,解算得到吊钩三维姿态、摆角与摆向;采用基于视觉检测的吊钩空间姿态为参考基准,对起重机吊钩进行姿态估计验证;实验结果表明:该系统能有效融合MEMS传感器数据,获得高精度的吊钩姿态,实现姿态的实时检测。     

MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中的应用

设计了基于微电子机械系统(Microelectro mechanical system,MEMS)惯性传感器集成模块ADIS16355的姿态测量系统。该姿态测量系统采用ADIS16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。介绍了ADIS16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程。基于ARMv7架构的Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验。测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在±1°左右。     

一种吊钩摆角远程无线监测系统的设计

起重机吊装作业中吊钩若出现偏摆则可能会造成事故,因此加强吊钩摆角监测十分重要.在充分分析了起重机吊装作业的实际环境,以及对吊钩偏摆监测的应用模式基础上,提出了一种基于微机电系统(MEMS)的吊钩摆角无线测量方案,通过测量吊钩的姿态角与起重机的方位角,建立数学模型,进行融合计算得出吊钩的偏摆角.所设计的系统采用JY901模块作为传感单元,以ZigBee作为无线传感网络,采用3G通信技术将数据传输到云端解析,最后基于B/S模式进行远程监测.该系统易于安装,便于监测,完全适用于起重机现场的作业环境.     

微机电系统姿态估计系统算法与仿真

结合陀螺仪、加速度计误差模型,实现了以微机电系统(MEMS)陀螺仪与MEMS加速度计为基础的姿态估计硬件仿真系统,可用于模拟任意噪声强度和安装偏差下三轴捷联惯导系统(INS),即按照给定运动曲线仿真输出陀螺仪与加速度计数据,为设计姿态估计算法提供仿真验证平台.同时,以姿态四元数为状态变量,载体俯仰角与横滚角为观测值设计了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的姿态估计算法,俯仰角估计误差小于0.04°,横滚角估计误差小于0.05.,偏航角漂移速度0.01(°)/s.     

桥吊摆绳摆角的视觉检测

桥吊摆角的准确测量是实现吊车防摇控制的前提条件;文中将视觉识别技术引入到吊车防摆控制中来,提出了基于局部梯度变化和标准差的图像自适应增强处理算法,解决了不同背光条件下吊绳摆动位置信息获取问题,有效地实现了桥吊负载摆绳图像特征的提取;同时,采用两次下采样和梯度法相结合的圆心的识别算法,解决了圆检测的实时性问题,从而成功识别出目标及其所在的空间位置,并用几何方法准确地测量出负载钢丝绳的摆角;最后,实验结果证实了该方法的有效性。     

小型航姿参考系统设计

针对航姿测量的需求,提出了一种基于四元数扩展卡尔曼滤波的航姿参考系统(AHRS)设计方案。系统采用低成本微机电系统(MEMS)三轴陀螺仪、加速度计和磁力计,利用基于四元数的扩展卡尔曼滤波方法对传感器数据进行融合,得出三轴姿态角。为了仅根据磁偏角确定磁力计量测方程,避免磁倾角影响,提出了利用加速度计对磁力计数据进行正交化处理的方法。为了减小加速度计和磁力计测量误差,利用基于最小二乘法的椭球拟合校正方法对测量数据进行校正。实物试验表明:传感器校正效果较好,系统具有相对较高的测量精度和较好的动态特性。     

一种基于MEMS的无线倾角自组网检测装置设计

针对基建项目中检测倾角的应用需求,以单片机为主处理器设计了基于微机电系统(MEMS)三轴加速度计的倾角检测装置。方案以三角学为算法基础,实现了对倾角的高精度检测,并通过无线通信实现数据传输功能。实验结果表明,其可用于基建组塔中对抱杆倾斜角度的检测,具有高可靠性、低功耗的特点,且可扩展用于需要检测倾角的各种场合。     

基于ADIS16355的汽车驾驶操作信号采集系统

研究开发了一种基于集成微机电系统(MEMS)传感器的新型汽车驾驶操作信号采集系统。该系统通过对MEMS传感器的输出信号进行A/D采样,获得相应的数字信号,并将其送进DSP进行处理。运用差分测量方法 ,实现对汽车驾驶姿态角的高精度测量。阐述了系统的硬件组成和软件设计,并通过实验对系统进行了可行性验证。实验结果表明,此测量系统能够满足汽车驾驶姿态测量的精度要求,是确实可行的测量系统。     

一种直接基于摆角约束的欠驱动桥式吊车轨迹规划方法

针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.     

A Cost Effective Motion Platform for Performance Testing of MEMS-Based Attitude and Heading Reference Systems

An accurate attitude and heading reference system (AHRS) is a key component to ensuring safe and reliable flight of unmanned aerial vehicles (UAVs). Recently, much attention has been given to developing AHRS using inertial sensors based on microelectromechanical sytems (MEMS). These MEMS-based AHRS are low-cost, lightweight, and consume little power. However, the advantages of inexpensive MEMS sensors are coupled with the drawback of having greater potential error in reported roll, pitch, and yaw angles due to increased sensor noise and drift. To minimize this error, advanced sensor fusion techniques such as Kalman Filtering are commonly implemented. Testing these techniques, and the AHRS as a whole, is therefore a crucial part of the performance optimization process. This paper outlines the development of an inexpensive 3-axis motion platform for AHRS calibration and testing that replicates aircraft motions from actual UAV flights, or from a flight simulator. To accomplish this, custom LabVIEW control software was developed to process time-stamped aircraft orientation data. Commands were then sent through a microcontroller to the motion platform, which reconstructs the flights with high precision (R² = .994). By using this method, AHRS testing can be performed under more realistic conditions, providing an alternative to costly field testing. This technique is especially useful for simulations of autonomous vehicle technologies such as collision avoidance, where an increased risk of damage to the UAV is present.     

非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用

控制或消除吊重摇摆对提高起重机工作效率、减少装卸作业安全隐患具有重要意义。以桥式起重机为例,建立其非线性模型,对负载摆动的动态过程进行动力学分析,研究负载摆动过程对系统的影响。以此为基础在Simulink环境下设计双闭环机构的PID控制器,通过非线性优化NCD模块对其进行参数优化。实验结果证明:该方法可快速准确确定PID控制器优化参数,5 s内可消除摆动,达到满意的控制效果;即使在吊重和绳长发生改变时系统仍具有一定鲁棒性。     

Nonlinear Anti-swing Control of Underactuated Tower Crane Based on Improved Energy Function

The control system of tower crane exhibits strong nonlinearity in the process of control execution, which is prone to the problems of inaccurate positioning control of the payload and difficult anti-swing control. Aiming at the problems, this paper proposes a control law based on improved energy coupling analysis for suppressing the payload swing in the tower cranes. A three-dimensional dynamic model of tower crane system with considering friction is established, and an improved energy coupling signal is designed. The coupling relationship of trolley movement and payload swing, jib rotation and payload swing are considered, then a nonlinear anti-swing controller is established in order to reduce the swing. The closed-loop stability of the system with the controller is verified by the Lyapunov method and LaSalle invariance principle, simulations and experimental analyses are performed to verify the controller performance. The control performance of the controller is compared with other classic and typical current control methods, and the proposed controller outperformed other controllers. The anti-swing controller proposed in this paper has accurate positioning, and can achieve precise control when the payload is transported, reaching the set target position in a little time and eliminating residual swing angle. Meanwhile the proposed controller has a good control robustness, which can restore stability in around a very short time when the rope length and payload mass of the system’s inherent property are changed and external interference is added. In addition, when different target position parameters are uncertain, the proposed control law has good robust performance.

     

龙门吊车系统的动力学建模

针对龙门吊车这一典型的欠驱动机械系统，采用拉格朗日方程的方法建立了其动力学模型。该模型同时考虑了吊车系统水平方向、前后方向和垂直方向上的三维运动以及由这些运动导致的负载摆角变化，且负载在二维空间的摆动角度通过特殊定义的二维平面的摆角进行描述。根据负载摆角的定义方式，取消三维吊车系统动力学模型的一个运动自由度直接将得到广泛研究的二维吊车系统的动力学模型。为了便于进行控制器的设计，还给出了近似条件下的龙门吊车系统的线性化模型。最后，数字仿真实验结果证明了动力学模型的有效性。     

基于GPS的无线激光通信终端间快速指向系统设计

为减少无线激光通信的捕获对准时间,快速建立激光通信链路,将全球定位系统(GPS)技术应用于无线激光通信的初始指向.激光通信终端双方接收GPS位置信息并发送至对端,通过坐标转换矩阵对GPS位置信息解算得到方位及俯仰角;依据解算得到的角度和自身姿态信息,进一步计算出需调整的旋转误差角度;通过控制二维转台旋转实现具有一定精度的快速指向.外场实验结果表明:GPS辅助指向系统通过控制转台指向误差在4.05°范围内,可以实现无线激光通信链路的快速捕获和对准,且具有较高的精度,验证了系统的有效性与实用性.     

姿态航向测量与误差补偿方法研究

设计了一种基于MEMS陀螺仪、加速度计、磁传感器的小型姿态航向参考系统;以四元数和角速率偏差为状态矢量,磁场强度和加速度计信息为量测矢量,构建基于Kalman的四元数姿态航向解算方法;通过调整测量噪声方差矩阵,解决动态过程中由于运动加速度造成的姿态角误差;采用陀螺仪误差建模和磁航向罗差补偿技术,进一步提高了系统测量精度。根据飞行数据分析,姿态航向参考系统具有较高测量精度和较好的稳定性、动态性,姿态角均方根误差小于1.5°,航向角均方根误差小于3°。     

基于MAEKF算法的航姿参考系统设计

构建了以低成本MEMS陀螺仪、加速度计和磁传感器组合的航姿参考系统,提出了一个乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法.取乘性误差四元数和陀螺仪误差作为状态量,基于重力场和磁场构造了量测矢量,用于修正航姿数据.并采用准确量测法,给滤波器加入了四元数的归一化约束,最后给出了基于新息的估计量测噪声方差矩阵的公式.通过仿真和试飞验证,表明本文设计的低成本的航姿参考系统能够提供比较准确的航姿信息.与常规的扩展卡尔曼滤波器比较,本文设计的乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法有效提高了系统的精度和稳定性,并且具有较好的鲁棒性.     

基于MEMS/GPS的航向姿态测量系统设计

姿态信息是飞行控制中最关键的参数之一。针对飞行控制系统首要解决的姿态测量问题。本文利用多微机电系统（MEMS）传感器与GPS组合,研制了一种微型航向姿态测量系统。考虑在以往的姿态测量系统中,动加速度的影响限制其应用,通过设计利用GPS进行辅助修正的姿态解算算法,有效规避了运动加速度对测量精度的影响,使系统可同时满足静态情况和动态情况的使用。将试验结果与商用姿态测量产品MTI-G-700的姿态结果进行了比较,各项指标均达到系统设计的性能要求,验证了航向姿测量系统设计的有效性。