DA-LM算法在MEMS加速度传感器误差校正中的应用研究

针对随钻测斜(Measurement-While-Drilling,MWD)技术中,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)三轴加速度计存在零点偏差、刻度因子误差、三轴非正交及与载体的未对准误差,造成姿态解算精度较低的问题,提出通过蜻蜓算法Dragonfly Algorithm(DA)及Levenberg-Marquardt(LM)联合校正误差参数的DA-LM算法.基于加速度计误差来源,建立加速度传感器线性误差模型并转化为椭球方程;由DA优化椭球参数实现全局寻优;再经推导得到新的校正目标函数并通过LM算法估计误差参数;最后利用本文所提对准策略实现加速度计与载体的对准.依据仿真实验,DA-LM算法可以精确估计加速度误差参数.通过双轴转台实验获取实验数据,校正前横滚角与俯仰角最大绝对误差分别为:0.86°和4.87°,校正过后分别降低为0.26°及0.49°.结果表明本文提出算法能正确补偿加速度计误差参数,姿态解算精度明显提高.     

轻小型二位置光纤陀螺测斜仪惯性测量单元设计

针对油气井中井眼口径窄小、高温、高冲击等恶劣环境,采用双轴一体光纤陀螺和石英挠性加速度计作为核心传感器部件,实现了轻小型二位置光纤陀螺测斜仪惯性测量单元(IMU)。采用DSC(dsPIC30F6014A)+FPGA双CPU导航计算机方案完成导航计算和滤波算法以及IMU数据的采集、控制与传输等功能。重点介绍了系统工作原理,IMU、数据采集与接口电路和双微处理器设计等硬件结构及软件算法。样机测试结果表明:该样机达到了预期精度指标要求(井斜角精度优于±0.2°,方位角精度优于±2°,工具面精度优于±0.5°),系统的性能尺寸体积、重量等方面达到了井下测斜仪器设计要求。     

无人机捷联航姿系统误差分析与补偿

针对由三轴磁传感器、三轴微机电系统(MEMS)加速度计和三轴MEMS速率陀螺构成的无人机捷联航姿参考系统(AHRS),在详细分析3种传感器误差来源的基础上,建立了与之相适应的误差数学模型;根据传感器自身特点和九轴传感器的测量特点提出了相对应的误差补偿算法.试验结果表明:磁通门传感器的航向角最大误差由补偿前15°降低为补偿后1.6°;补偿后加速度计的俯仰角最大误差为0.25°,倾斜角最大误差0.35°;速率陀螺的静态误差补偿在3.5 min之内航向角误差为±0.3°,俯仰角补偿后误差±0.4°,倾斜角补偿后误差±0.4°;当速率小于15°/s时,动态误差控制在±1°.     

随钻测量仪传感器正交校准方法研究

分析了随钻测量仪器传感器的正交误差特征。为避免现有方法的局限性,建立了一种便捷、实用的正交校准模型。在试验数据统计结果的基础上,在允许的范围内对传感器进行了假设。传感器输出轴与理想坐标系坐标轴夹角小于1°,传感器输出误差可以视作是姿态角度的正弦或余弦函数。建立了一组正交误差消除公式,并给出了传感器数据采集流程及正交误差系数的计算方法。对正交误差模型系数进行解算,可以得到消除正交误差之后的传感器输出,进而计算出较为精确的仪器姿态信息。试验结果证明,该方法具有一定的通用性,移植简单,可用于随钻测斜及垂直钻井系统。该系统已应用于简单的单多点测斜系统及稍复杂的陀螺测斜系统,效果良好。     

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°。     

垂直姿态的非正交测量优化与校正

垂直小角度时,采用的非正交姿态测量方法旨在解决传感器输出信号极微弱和解算精度低等问题。描述了非正交坐标系的理论模型,对其进行了优化,确定了最佳偏置角度。利用补偿矩阵对因测斜仪安装问题引入的位置误差进行校正,通过井斜角和工具面角的解算结果验证校正效果。测试结果表明,在偏置角为45°时,姿态参数具有较高的解算精度;而数据校正能大幅度降低位置误差,进一步提高测量精度。     

基于重力四元数的陀螺漂移估计与补偿

为提高钻探中的钻具姿态测量精度,提出一种基于重力四元数的MEMS惯性随钻姿态测量方法.采用MEMS惯性器件构建钻具姿态测量系统,把加速度计数据解算的姿态四元数作为观测四元数,陀螺仪数据解算的姿态四元数作为误差四元数;然后将陀螺仪漂移融入误差四元数,建立重力四元数估计陀螺仪误差四元数的模型,采用最小二乘法估计陀螺仪三轴漂移,进而补偿陀螺仪姿态四元数;通过补偿后的姿态四元数解算出钻具姿态.最后设计了转台、振动台实验和钻进模拟实验,实验结果表明,姿态四元数补偿后的井斜角和工具面角漂移由平均10 °/h减小到约0.2 °/h,方位角误差由平均12 °/h减小到约0.46 °/h,实现了加速度计补偿陀螺的三轴漂移,表明该方法能够有效提高钻具的姿态测量精度.     

三轴加速度传感器安装误差标定方法研究

针对三轴加速度传感器在车辆行驶状态测量方面的应用,研究了三轴加速度传感器在车辆上的安装误差问题,提出了一种通过数学解算模型对安装误差进行标定的方法.标定过程无需借助其他测量仪器,只需要使用安装后的传感器进行多次测量,通过数学模型解算这组测量数据即可实现安装误差的测量与标定.通过实验验证,此方法方便有效,标定误差小于±3...     

基于USB总线的新型多路自整角信号发生器设计

目前,常用的自整角信号发生器大都采用像AD2S100这样的专用器件进行信号转换;这类器件往往都是国外制造,价格不菲,然而信号转换精度却只有0.2°～0.5°,对于某些高精度应用难以满足要求;为此,以C8051F340单片机为核心设计了一种基于USB总线的多路自整角信号发生器;设计摒弃了对专用芯片的需求,采用软件模拟方式进行信号解算和误差补偿,大大降低生产成本的同时,使信号全范围误差小于0.2°。经应用证明该信号发生器工作稳定、抗干扰强,有很高的实用价值。     

陀螺测斜仪小角度井斜角测量的姿态提取方法

针对陀螺测斜仪系统在小角度井斜角测量时存在测量精度低的问题,本文对其产生机理和形成原因作了详细分析,并推导了新的小角度井斜角测量的姿态提取方法。搭建基于高精度动调陀螺的随钻测斜仪产品原理样机,并利用高精度三轴转台反复多次模拟实际钻井施工中随钻测井过程,结果表明该方法可有效的提高陀螺测斜仪小角度井斜角随钻测量的解算精度。     

基于偏振光传感器的全姿态角解算方法研究

针对小型无人机三维空间内姿态解算的问题,提出了一种仅利用偏振光传感器进行全姿态角的解算方法.利用偏振光传感器测量的偏振方位角,及通过观测位置和观测时间计算得到的太阳方位角,可以求得当前的航向角.利用太阳矢量在导航坐标系和载体坐标系中的投影,通过解算姿态方程解算出当前的俯仰角与横滚角,实现全姿态角的解算.通过仿真实验证明了该方法的有效性,解算出的姿态角误差在1°以内,能够有效地满足小型无人机的需求,为无人机导航提供一种全新的导航方法.     

MIMU/GPS组合导航系统小型化设计

为满足小型无人机、手持制导设备及无人探测车等对低成本轻重量导航系统需求,应用MEMS惯性测量单元和GPS接收机模块,完成MIMU/GPS组合导航系统小型化设计。组合导航计算模块基于DSP+FPGA+FLASH设计完成,实现多传感器通信、串并行数据转换及与上位机人机交互等功能。将计算模块、电源模块、MIMU及GPS接收机集成到嵌入式MIMU/GPS组合导航系统中,完成的系统直径80 mm,高度80 mm,质量不超过600 g。对集成后系统进行定点动姿态实验,结果表明:该组合导航系统定点位置测量精度在1 m以内,动姿态测量精度姿态角在0.1°以内,航向角在0.5°以内。     

基于姿态传感器的脊柱形态测量技术

基于X线测量脊柱形态的放射性、不易携带性等特点,设计出基于姿态传感器的非X线的脊柱形态测量技术.分析了姿态传感器的姿态角在人体脊柱测量过程中的转换关系,以及设计出多Cobb角的测量的实现方法.基于姿态传感器的脊柱形态测量设备是通过单片机读取姿态传感器的俯仰角和偏航角后经过算法计算出Cobb角,采用LCD显示采集到的脊柱棘突姿态信息和反映脊柱形态的Cobb角数据.通过实验验证分析基于姿态传感器测量技术的测量误差在±2°内,而且满足可重复测量要求,测量仪的可靠性大于0.8.     

GPS失效时组合导航系统修正方法研究

针对采用低成本惯性元件的MEMS-IMU/GPS组合导航系统在GPS信号长时间失效后系统趋于发散的问题,在研究捷联航姿解算算法、加速计测量姿态角算法和磁传感器解算航向角算法的基础上,提出将航姿辅助修正算法引入组合导航系统中,一旦系统检测到无效信号出现,则能自动切换到辅助修正状态,使导航结果被抑制在0.5°左右;通过半实物仿真实验,证明了该方法能够有效解决GPS信号长时间失效后系统发散问题,满足了在低成本MEMS惯性元件基础上的高精度导航要求。     

一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置

模仿昆虫偏振导航机理,设计了成像式仿生偏振导航传感装置样机。研究了天空光偏振分布模型,分析了成像式仿生偏振导航传感装置工作原理。解决了一般探测装置解算偏振参数需要上位机辅助的问题,使用CMOS图像传感器和数字信号处理器,实时输出导航角度。进行了室内、室外装置性能测试,获得了3个方向偏振分量标准化强度曲线。实验结果表明:传感装置室内外角度测量误差分别为-0.8°~0.3°,-1.2°~1.4°,能够较高精度地输出导航角度,可以满足实时导航定位的需要。     

基于MEMS传感器的室内外多源融合导航系统设计

为纠正磁力计的过度偏转行为,使得导航坐标结果更贴合理想预设坐标值,设计基于MEMS传感器的室内外多源融合导航系统。整合多源外接模块电路输出的电量信号,将其分别反馈至MEMS磁力计与微处理器导航元件之中,再根据地图空间定义模块中导航信息数据的传输行为,确定融合信息单元的剩余存储能力,实现多源融合导航系统的硬件结构设计。在此基础上,定义MEMS传感器的实时坐标,通过计算位姿角数值的方式,处理导航点与传感器信息之间的多源融合关系,完成基于MEMS传感器的坐标转换。根据已知的路径节点平移变换原则,得到节点坐标的旋转与缩放结果,完成对导航路径的可视化处理,再结合相关硬件设备结构,实现基于MEMS传感器的室内外多源融合导航系统设计。实验结果显示,与基于降维对偶四元数的导航系统相比,在MEMS传感器作用下,实测角与理想角之间的最大差值只能达到3.7°,能够使得真实导航坐标结果更加贴合理想预设坐标值,符合精准导航的实际应用需求。     

基于ADXL335的堆煤传感器的设计

针对基于行程开关的堆煤传感器监控信号不准确以及基于水银开关的堆煤传感器无法灵活设置动作点(倾斜角度)的局限性,提出了一种基于ADXL335三轴加速度计的新型矿用堆煤传感器的设计方案,介绍了该传感器主要电路的设计。该传感器利用加速度计的三轴角度测量功能,实现了全方位高精度测量,能将信号及时准确地传送至胶带输送机保护控制系统,防止了煤炭的持续堆积。     

起重机底座转盘水平状态监测用水平传感器的研制

本文研制了一种用于起重机底座转盘水平状态监测的新型水平传感器,该传感器采用双轴加速度芯片SCA100T作为敏感元件,结合数字信号处理、单片机技术和LCD显示技术,将起重机底座转盘与水平面的夹角以数字的形式直接显示在LCD显示器上。实验数据分析表明,该水平传感器最大误差小于0．015°,满足起重机底座转盘水平状态的监测要求。