基于MEMS/GPS/地磁组合的弹体姿态解算

MEMS惯性器件由于具有自主性、连续性和隐蔽性等优点被广泛运用于载体的姿态解算中,但由于MEMS惯性器件的制作精度和误差积累等问题使得解算出的姿态信息并不准确.同时由于地磁传感器可以实现高精度的姿态测量,但不能独立解算出姿态信息.因此为了提高惯导姿态解算的精度,所以采用GPS、地磁辅助惯导进行姿态解算.设计的方案是在传统惯导姿态解算误差状态方程的基础上,将地磁和GPS解算的滚转、偏航和俯仰角与惯导解算出来的相应角的差值添加到传统惯导姿态解算误差状态方程中,以速度误差和滚转、偏航和俯仰角误差为量测值,估计出组合系统的姿态误差,并与惯导解算出的姿态误差进行对比,从而验证所提出的方法的可行性.     

微型姿态解算系统的抗磁干扰算法研究

基于MARG传感器的EKF算法可以有效地抑制MEMS陀螺精度低及陀螺漂移较大等缺陷,为MEMS陀螺的广泛应用提供了有效途径.然而MARG传感器中的磁强计容易受到外界磁场干扰,从而对融合结果产生不利影响.基于MARG传感器组成的微型姿态解算系统,提出了一种消除外界磁场干扰的抗磁干扰算法,有效地对存在磁场干扰时的姿态解算融...     

基于自适应CKF的姿态数据融合算法

为了提高基于MEMS惯性传感器的捷联惯性导航系统姿态解算的精度,提出了一种自适应容积卡尔曼滤波（CKF）数据融合算法。该数据融合算法将姿态四元数作为系统状态,将加速度计信息和磁力计信息作为系统观测量,对系统过程噪声矩阵和观测噪声矩阵进行实时的自适应估计,解决了因系统噪声突变引起的姿态解算精度急剧下降的问题。实验结果表明,采用自适应CKF数据融合算法比单纯基于陀螺仪的捷联姿态解算精度有明显的提高,在载体动态时测得的横滚角和俯仰角误差在1°以内,航向角误差在2°以内。     

基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算

针对四旋翼飞行器的姿态解算问题,设计了由STM32、陀螺仪、加速度计等组成的姿态测量单元,采用四元数法对姿态角进行描述,详细分析了姿态解算的过程,建立了系统及传感器模型,并在互补滤波算法的基础上,构造了一种改进型互补滤波器来完成姿态解算。实验测试表明,与传统的卡尔曼滤波算法和互补滤波算法比较,改进型互补滤波算法的数据平滑能力更强,收敛速度更快,有效地实现了飞行器姿态数据的融合,提高飞行器的姿态估计精度,满足了小型四旋翼飞行器姿态控制的要求,增强了系统的鲁棒性与稳定性。同时通过实际飞行实验,验证了算法的可行性。     

基于MEMS的海洋漂流浮标运动姿态测量系统设计

针对海洋漂流浮标运行时运动轨迹姿态多变影响传感器观测要素可靠性的特点，设计了基于三轴MEMS陀螺仪、加速度计、磁阻传感器的漂流浮标姿态测量系统。介绍了系统硬件组成结构及软件算法流程，采用四元数方法和PI调节算法进行姿态解算以及数据融合，并采用椭球拟合和阀值滤波方法修正补偿系统误差。实验测试表明，系统姿态测量效果良好，静态误差小、动态抗干扰性能较好，满足海洋漂流浮标姿态测量基本需求。     

基于 Mahony 与改进 Kalman 融合的姿态解算方法

获得精确的载体姿态信息是提高载体导航定位的关键。 针对加速运动会产生非重力加速度干扰,而传统滤波算法无法 解决其导致的精度下降的问题,提出一种基于 Mahony 和改进 Kalman 融合的姿态解算方法。 首先采用惯性测量传感器所得数 据进行 Mahony 解算,将其结果作为改进 Kalman 的量测信息;其次通过陀螺仪解算,将其结果作为改进 Kalman 的状态信息实现 姿态解算。 实验结果表明,本文所提出的方法相较于传统方法,解算精度提高一个数量级以上,能有效地抑制漂移误差高频噪 声,大幅提升了载体姿态角解算精度,且具有良好的收敛性。     

基于 Mahony-EKF 算法的手臂运动姿态测量系统

针对传统姿态解算方法效率迟缓、精度低下及稳定性差等问题,提出一种基于Mahony和扩展卡尔曼(EKF)相融合的算法,并开发出一种新型人体手臂姿态测量系统。首先,通过STM32微处理器采集MEMS传感器测得的数据,借助Mahony滤波器解算加速度计、磁力计和陀螺仪的数据,以此得到初步姿态四元数。其次,将初步姿态四元数作为EKF量测值,依据非重力加速度调节量测噪声协方差矩阵。然后,根据陀螺仪测得的角速度信息建立EKF状态方程,通过EKF滤波更新状态,获取解算融合后的手臂姿态数据。最后,将数据发送到上位机,通过上位机软件实时监测姿态角数据,再构建三维模型实时还原手臂的运动状态。经实验验证,应用EKF算法矫正Mahony滤波解算出的姿态数据,不仅可以使误差减小到0.5°、消除超调量和降低噪声干扰,还能有效克服传统姿态解算方法中需要大量数据集和计算时间长问题,从而抑制了随机波动,提高姿态解算精度。     

基于 SRCKFw-检测的多传感器融合的姿态解算算法

针对惯性导航系统受模型误差和测量异常值误差的影响,姿态解算结果易出现精度差甚至发散的问题,提出了一种基于平方根容积卡尔曼滤波(square-root cubature Kalman filter, SRCKF)w-检测的多传感器姿态融合算法。利用协方差匹配法对SRCKF的新息序列进行自适应调整,经过调整后的新息在迭代过程中会补偿量测噪声方差阵,减小模型误差影响;再利用调整后的新息进行误差探测,提高w-检测的探测精度,并构造观测值替换准则进行误差观测值替换,解决测量异常值误差带来的影响;最后利用SRCKF进行姿态融合,陀螺仪的姿态作为状态方程,经检测替换后的加速度计和磁力计姿态作为量测方程。实验表明,所提算法可以准确估计系统姿态,与传统算法相比解算精度平均可提升62.43%,在不同条件下,算法整体性能均可得到大幅提升,并能快速进行姿态解算,保证解算精度。     

多信息融合的定向测姿方法的研究

针对双GPS定位定向系统和MEMS惯性传感器在姿态解算及导航系统中所呈现出的优点与不足,本文先后对惯性导航系统的四元数算法,基于MARG传感器(三轴陀螺、三轴加速度计和三轴磁阻)的航姿解算方法以及结合惯性导航系统和双GPS系统的航姿解算方法进行研究,通过计算机仿真实验证明了3种方案的可行性,并得出进一步的结论:采用组合导航的方式,由双GPS部分、IMU部分和数据处理部分组成的基于惯性导航和双GPS的多信息融合的航姿系统,具备更好的预测精度和可靠性。     

可穿戴的实时检测走姿矫正仪设计

在走姿矫正导航精度优化问题的研究中,针对当前姿态解算技术的精度不足,设计了一款在Linux环境下嵌入式走姿矫正设计方案,基于先验的位置磁矩迭代修正方程系数的方法,建立迭代误差指标函数及迭代公式,并进行了数值仿真实验。为实现姿态解算中姿态角实时检测,提出将传感器采集到的加速度、角速度以及磁场强度数据进行融合,利用三轴加速度传感器和磁力计的向量偏差来对姿态解算过程中积分累计误差进行修正。最后传感器将数据结果分别通过ZigBee和蓝牙协议将其传输到电脑端或手机APP客户端显示,以达到走姿检测和矫正的目的。实测结果表明,这种方案使得走姿矫正的精度准确度更高,实时检测性能更强。     

基于单片机的光电无接触转速测量仪的设计

利用AT89S52单片机作为微处理器,设计了一种红外线转速测量装置。当电动机转动时,利用槽式光电传感器对其进行光电信号采样:1个二极管发射红外线,1个二极管接收红外线,通过齿盘对光路的间歇遮挡使接收二极管接收到的信号变为光脉冲。单片机对二极管接收到的脉冲计数,从而计算出转速,通过1602液晶显示器显示出结果。试验结果显示设计制作的转速测量仪测量精度较高,能实时显示测量结果。     

高旋制导弹药转速测量装置及方法研究

针对高旋制导弹药高转速难以精确测量问题,设计了一种基于地磁传感器的转速测量装置,测量装置主要采用了HMC1053三轴地磁传感器和STM32H753 ARM芯片来完成转速测量功能。根据地磁传感器输出信号特性,利用过零点检测方法对转速信号的时域特性进行了仿真和分析,分别采用短时傅里叶变换和连续小波变换方法对转速信息的时频特性进行了仿真分析和对比,结果表明采用连续小波变换方法得到的频率分辨率更高,求解的转速精度更高。最后通过机床转速试验及弹载飞行试验进行验证,机床转速试验解算的转速最大误差为0.011 3 r/s,试验结果表明了转速测量方法的可行性,为高旋制导弹药的导航和制导技术提供相关的支持,具有一定的工程应用价值。     

基于ADMC 401直流无刷电机的卡尔曼滤波控制的实现

介绍一种基于DSP芯片ADMC401构建的直流无刷电机的无传感器控制单元。控制系统采用检测电机绕组端电压的间接方法,在没有配置位置传感器的情况下,通过扩展卡尔曼滤波（EKF）,有效地抑制电机控制过程中遇到的噪声,利用检测出的电压和电流信号对转子位置进行估计,准确获取转子位置和速度数据,以较低的成本实现三相直流无刷电机位置和转速的连续控制。ADMC401芯片内置硬件功能,使无传感器控制系统的响应速度、稳定性和可操作性显著提高,有效地改善了电机低速运行时转矩特性,实现了直流无刷电机高精度调速及定位要求。     

机载多电磁矢量传感器的飞行器姿态优化估计

实现对飞行器飞行姿态的快速精准估测是成功执行任务的重要保障。为提高飞行器飞行姿态估测的精准性和快速性,考虑到多重信号分类(multiple signal classific-ation algorithm,MUSIC)算法在谱峰搜索的时候计算量大且速度慢的特点,提出了在谱峰搜索中应用改进的粒子群算法。首先依靠飞行器机身上的各电磁矢量传感器的姿态位置与来自地面基站上所传送的信号信息之间的变化规律,形成MUSIC算法中所需要的导向矢量,建立由电磁矢量传感器组成的信号接收阵列的电磁波信号数学模型表达式,求出协方差矩阵,将矩阵的特征值进行分解得到噪声子空间,构造出姿态空间谱函数来完成信号空间谱的建立和谱峰搜索,从而得到表征姿态的唯一谱峰。最后通过仿真实验验证表明,在谱峰搜索应用改进粒子群算法能够有效的提高飞行姿态的估测精度和搜索速度。     

基于霍尔位置传感器的PMSM转速观测器状态估算误差抑制方法

霍尔位置传感器成本低,同时能够提供相对精确的位置信息,但其存在位置信息分辨率低、转速测算连续性差及滞后严重等缺点。龙伯格全阶转速观测器是一种闭环调节器,有效地利用了电机系统模型,能够为矢量控制提供较好的转速和角度反馈信号。但在数字控制系统的应用中,受霍尔信号采样周期远大于控制周期的影响,常规观测器的参数和结构设计方法在实际应用中仍无法得到理想的观测结果。该文在分析转速观测器在实际应用中存在问题的基础上,通过结合降阶观测器和多采样理论,提出了一种可有效从低分辨率霍尔位置信号中估算转速、转角的方法。多采样降阶观测器在最大程度上利用了霍尔信号的真实信息,在每个数字控制周期内都能产生转速和转角的估计值,具有理想的估算效果。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性,控制效果能够很好地满足中低端伺服应用需求。     

基于磁阻传感器的高旋弹转速测量方法

在现代化战争中,常规弹药的智能化具有重要意义.而在智能化改造过程中,面对高过载、高转速的测试环境,传统的惯性器件在量程、精度、成本上已经无法满足工程需求.地磁场作为一个有规律的稳定场,它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用.针对常规弹药转速旋转的特点,利用地磁传感器组合安装方式采集地磁数据.通过软件算法计算出地磁信号过零点的时刻,进而结算出弹体旋转速度.经过试验验证,证明了此种方法的可行性.     

一种智能转速监测系统的研究

介绍了用霍尔传感器和含有单片计算机的智能二次表所构成的转速监测系统 ,同时 ,还阐述了用霍尔传感器和智能转速变送器所构成的DCS采集通道。着重表述了智能转速表及智能转速变送器的构成、原理及其控制程序框图     

基于磁阻传感器的高旋弹转速测量系统

由于现在战争的需要,对弹药精确打击能力提出了新的要求,传统的测量方法对高旋弹转速的测量,受器件过载、成本限制、精度要求已经无法满足工程应用的需求.地磁场作为一个有规律的稳定场,在宇宙空间探测、国防、矿场探测方面发挥着重要作用.本文提出的测量系统利用两片HMC1052,通过特殊的传感器组合方式获取地磁场信号,地磁场信号在再经过过零点结算,最终得到弹体转速.该测量系统能够解决转速高达330 r/s的高旋弹转速测量问题,经过试验验证,转速误差相对精度可以达到1.52%.     

可穿戴运动捕捉系统

本文设计了一种基于MPU9250 9轴姿态传感器与STM32F103C8T6系列ARM的可穿戴运动捕捉系统。MPU9250内部合成3轴加速度计、3轴磁强计及3轴陀螺仪,通过检测该传感器的9轴姿态信息,得到相应的姿态角。利用非线性扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合,将数据进行去噪处理,利用蓝牙技术将处理完成的数据传送至上位机用以显示。该系统具有体积小巧,动态响应好,实时监测等特点。