一种手持式电子磁罗盘航向误差校正方法

针对传统的磁罗盘补偿方法计算量大、需要标定设备的问题,提出了一种利用陀螺仪相对航向辅助校准的方法。在分析磁罗盘误差的基础上建立了误差模型,采用梯度下降法解出姿态信息对磁场数据进行倾斜补偿,在陀螺仪相对航向角的辅助下,采用最小二乘法拟合经过倾斜补偿后的磁场数据求解出误差模型的系数。实验数据表明,该算法能够有效的对磁罗盘误差进行补偿,可以将磁罗盘的航向角测量误差控制在1°之内。     

基于MEMS微惯性器件的姿态测量 单元设计与测试

MEMS惯组具有体积小、价格低、易于集成等优点,已被广泛应用于各个领域,为提高MEMS姿态解算精度,采用 Mahony互补滤波方法设计了MEMS惯性组件,Mahony互补滤波器将陀螺仪解算的高频姿态信号和加速度计－磁强计解算的低频姿态信号进行融合,提高测量精度,介绍了MEMS惯组硬件、软件、算法设计及无磁转台测试,无磁转台静态测量下的俯仰角精度0.51°,横滚角精度 0.5°,航向角精度1.1°。     

一种基于AIKF的姿态测量算法

惯性测量单元中传感器具有较强的非线性和噪声的不确定性,导致使用常规卡尔曼滤波时误差大,容易出现发散,针对此问题,该文提出了一种改进的自适应增量卡尔曼滤波（AIKF）算法。该算法使用互补滤波将加速度计、磁力计和陀螺仪的数据进行融合,利用滤波后的数据增量作为卡尔曼滤波器的观测量,同时对系统噪声进行自适应在线估计,以获得精准的姿态输出。实验结果表明,该算法能够实现姿态的精准测量,摇摆台试验中俯仰角、横滚角误差小于0.05°,航向角误差小于0.15°,具有较好的噪声抑制能力。     

偏振光辅助航向角在惯性导航中的应用研究

惯性导航系统(INS)以其自主导航的特点成为了目前最为重要的导航设备之一,但是惯性导航系统会随着时间的增加发生漂移,误差逐渐增大,无法应用于无人机等长时间的飞行或对环境的监测。因此,提出了一种基于偏振光的航向角检测对惯性导航系统的辅助方法,搭建的光学采集系统由三个微小型的大视场摄像头模组和偏振片构成,使得结构更加紧凑,体积更小,高度更低。首先,基于大气偏振模式的偏振光导航利用瑞利散射模型固有的自然属性,很难遭到人为破坏且精度不会随着时间的增长受到任何的影响,极易适用于在弱/无卫星信号环境下无人机长时间的飞行。然后利用搭建的三通道偏振成像系统对晴朗天气下全天域的载体航向角进行了测量。通过长时间的实验测试表明,三通道偏振成像系统解算的航向角最大误差为0.3142°,最小误差为0.0987°,而惯性导航系统以每小时1°的误差持续增长,如果将偏振光对航向角的测量用于辅助惯性系统在导航中的应用将会大大地降低惯性系统的误差漂移。因此偏振光和惯性系统的组合导航将逐渐用于无卫星信号环境下无人机的长时间飞行中,可摆脱美国GPS的限制,扩大无人机执行任务的范围。     

基于L BFGS的自适应模糊互补滤波

针对惯性测量单元噪声大及常规姿态解算算法精度不高的问题,提出了一种基于拟牛顿法（L-BFGS）的自适应模糊互补滤波（AFCF）算法。该方法利用L-BFGS对加速度计、磁力计进行寻优估计,并通过监测系统的运动等级、加速度计、磁力计的误差,运用模糊逻辑理论调控加权因子及增益权重,动态地调整互补滤波参数,实现姿态误差的动态补偿,优化姿态解算结果。经实验验证,系统静态误差在0.4°内;动态误差在1.3°内,且该系统能减少噪声的干扰及陀螺仪的漂移。     

基于二阶插值滤波的室内航向估计算法研究

在室内行人导航中,为获取精确的航向角,提出了一种基于二阶插值滤波的航向估计算法。该算法通过建立四元数姿态运动测量模型,采用二阶插值滤波对陀螺仪、加速计和磁强计的测量数据进行数据融合,实现航向角解算,以过程噪声和测量噪声为设计参数,构造自适应噪声协方差矩阵,实现协方差误差估计最小化。通过对行走长方形参考路径得到的数据进行处理,加速计和磁强计组合与陀螺仪航向估计算法动态误差分别为13.6°和6.9°,采用二阶插值滤波航向估计算法后动态误差为2.3°。实验结果表明,该算法有效提高了航向估计的精度,减小了陀螺仪漂移、载体的线性加速度和周围局部磁场干扰对航向估计的影响。     

基于开关扩展卡尔曼滤波的姿态估计

针对低成本动中通系统中的姿态估计问题,提出一种开关扩展卡尔曼滤波算法。以 无航向角的姿态更新算法为基础,根据微机械陀螺和加速度计分别建立系统状态方程和测量 方程。针对机动加速度的影响,设计了三维开关扩展卡尔曼滤波方程,对载体姿态角和陀螺 零偏进行实时估计。实验结果表明,该算法能够准确估计载体姿态和陀螺零偏,姿态角估计 误差小于0.5°,俯仰角和横滚角估计误差的方差分别为0.130 1°和0.140 5°, 两轴陀螺零偏误差均值均小于(2×10-4) °/s,能够满足动中通的应用要求。     

基于BP神经网络的磁罗盘误差补偿研究

研制了一款基于磁阻传感器HMC1052/1051Z和MEMS加速度计ADXL203的磁罗盘,介绍了三轴磁阻罗盘的测量原理并分析了磁罗盘工作过程中可能存在的误差及其来源。针对样机的水平状态,利用前馈神经网络算法,建立了以测量航向角为输入、补偿后的航向角为输出的三层BP神经网络模型,并用样机的航向角采样数据进行仿真验证。实验数据表明,采用该BP神经网络补偿算法,可将航向角的精度从±35.73°提高至±0.5°以内,研制的样机可应用于普通导航领域。     

基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法

基于自然特性的导航科学具有重要的研究与应用价值,本文针对仿生偏振光导航技术中的航向角获取问题,研究了一种基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法。文章建立在对大气偏振模式分布规律的分析基础上,对获取的大气偏振模式图像进行对称性检测,利用大气偏振模式分布的对称性特征,根据检测结果确定大气偏振模式对称轴,即太阳子午线位置,进而解算出航向角信息,并通过实验验证了本文所述方法的有效性。本文提出的基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法是仿生偏振光导航的一个重要研究内容,对基于自然特性的导航方法与策略研究,具有重要的实践指导意义。      

基于梯度下降法的四旋翼无人机姿态估计系统

为解决四旋翼无人机在飞行时实时姿态测量的问题,提高姿态估计精度,设计了一种基于STM32的梯度下降姿态估计系统。该系统以STM32F427微处理器为主控制器,MPU6000和LSM303D作为姿态传感器,实现了对姿态传感器数据采集以及姿态解算。系统对加速度计、磁罗盘进行预处理,利用梯度下降滤波的方法估计误差四元数,从而修正陀螺仪积分误差,实现了姿态角的精确估计。最后,通过搭建的飞行实验平台,与Pixhawk飞控进行姿态角比较分析,实验结果表明:采用梯度下降法的姿态估计系统能够稳定有效地估计无人机的姿态,满足四旋翼无人机的飞行要求。     

A Calibration Technique for a Two‐Axis Magnetic Compass in Telematics Devices

This paper presents an efficient algorithm for using the two‐axis magnetic compass in portable devices. The general magnetic compass module consists of a three‐axis magnetic compass and a two‐axis inclinometer to calculate tilt‐compensated azimuth information. In this paper, the tilt error is compensated using just a two‐axis magnetic compass and two‐axis accelerometer. The third‐axis data of the magnetic compass is estimated using coordinate information that includes the extended dip angle and tilt information. The extended dip angle is estimated during the normalization process. This algorithm can be used to provide the tilt‐compensated heading information to small portable devices such as navigation systems, PDAs, cell phones, and so on.     

基于MEMS器件的低成本微惯性导航系统设计

设计了一款基于MEMS陀螺和MEMS加速度计的低成本微惯性导航系统。采用“四元教”法进行姿态计算,通过比力变换、积分运算确定载体的速度、位置。分析样机运行结果可知,静态运行15S,姿态误差最大为1．2°,速度误差最大为4．5m／s,位置误差最大为33m。实验表明,该系统发散较快,但短期精度较高,为满足长时间导航,必须与其他导航如GPS组合,即可应用到普通导航领域,且能大大降低系统的成本和体积。     

航姿系统矢量场传感器的完全校正

三轴磁强计与三轴加速度计是航姿系统中必不可少的矢量场传感器,其误差校正常采用基于椭球拟合的方法。该方法不能补偿传感器坐标系与载体坐标系间的非对准误差。传感器绕固定转轴旋转时,地磁矢量及重力矢量在转轴上的投影均为常数,利用该性质可克服椭球拟合法的上述缺点,从而实现磁强计与加速度计的完全校正。实验表明,改进的校正方法可使校正后航姿误差减小到1°以内,且操作简单,便于实现航姿系统的现场校正。     

速率偏频激光捷联惯组加速度计分析

速率偏频激光捷联惯组的定向精度除与激光陀螺仪有关外,还与加速度计有关,因此,研究加速度计的指标体系对提高整个速率偏频激光捷联惯组的性能和精度有重要意义。从初始对准和航向保持两个方面研究了加速度计对定向精度的影响：加速度计零偏误差和随机游走均会导致初始对准航向角误差。为了得到高精度的航向保持精度,速率偏频激光惯组的3个加速度计的漂移趋势需要保持一致。试验结果表明,加速度计的零偏稳定性提高4倍,初始对准航向角统计精度提高30%;加速度计精度相同情况下,加速度计漂移趋势一致的速率偏频激光捷联惯组,相比其漂移趋势不一致的速率偏频激光捷联惯组,航向保持精度提高了57%。     

安装误差对单轴旋转对准精度影响分析

针对激光陀螺单轴旋转惯导系统初始对准问题,分析了影响初始对准精度的惯性器件误差参数,理论推导了陀螺安装误差对对准精度及加速度计零位估计的影响,并进行了仿真分析。仿真结果表明,陀螺安装误差直接带入失准角估计误差,并会引起等效加速度计零位估计误差,可通过标定陀螺安装误差提高对准精度。     

激光捷联惯导仿真系统的设计与实现

针对激光捷联惯性导航系统可靠性高,采用自然散热以及使用维护方便等优点,设计并实现了激光捷联惯导仿真系统。首先通过软件的动态协同算法,设计软件陀螺仪和软件加速度计,使其能够仿真真实激光陀螺仪和真实加速度计的姿态信息和线运动信息;然后仿真载体的飞行轨迹,并将飞行姿态及运动状态转换为软件陀螺仪和软件加速度计的输出;最后根据其输出信息与理想轨迹对应参数的对比进行性能分析。仿真结果表明,该系统不仅能够较好地模拟飞机的实际飞行状态,更能有效地检验激光捷联惯导算法的精确性和可靠性。