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.     

一种基于磁传感器的MEMS陀螺标定方法

根据微型航姿测量系统各传感器的特点,研究出了一种基于磁传感器输出的MEMS陀螺标定方法,并根据MEMS陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法,分别对MEMS陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。与传统标定方法相比,该方法实现简单,适用于现场标定。实验结果表明,该标定方法能够有效地提高MEMS陀螺测量精度,补偿后陀螺在静态条件下2分钟内,俯仰角漂移小于0.035°,倾斜角漂移小于0.15°,航向角的漂移小于0.2°。当陀螺三轴均有角速率输入时,在角速度小于25°/s情况下误差都能保持在±2°以内。     

机抖激光陀螺稳频控制技术的研究

激光陀螺的工作中心频率作为激光陀螺的工作计量基准,其频率的稳定性直接影响激光陀螺的测量精度。稳定激光陀螺工作中心频率最有效的方法是采用主动腔长补偿控制。在介绍了腔长控制原理和方法基础上,提出将激光陀螺输出光强信号进行交直流分量分离独立控制的方法,并给出系统的硬件设计框图,最后介绍了软件设计流程。测试结果表明漂移均方差在0.4°/h以内,满足系统的使用要求。     

一种小型惯性测量单元的精确标定技术

研究了一种基于MEMS陀螺和加速度计的惯性测量单元(IMU)的系统标定技术,建立了陀螺和加速度计的温度漂移和非线性误差模型,采用逐步线性回归法对以上模型进行了简化,并设计了补偿算法;实时补偿效果表明,在-40℃~60℃的温度变化范围内,惯性测量单元的零位偏值、偏值稳定性和非线性度都达到较高精度,这种误差标定方法可有效解决MEMS-IMU惯性器件误差的标定与补偿问题。     

应用于MEMS陀螺仪的SoC设计

为了解决微电子机械系统(MEMS)陀螺仪体积较大、冗余的计算资源浪费等问题,对Cortex-M3内核的数据处理能力及总线架构进行了研究,设计了一款应用于MEMS陀螺仪的智能化、小型化、低功耗的片上系统(SoC);通过分析温度对陀螺输出信号的影响,对MEMS陀螺温度误差的智能化补偿方式进行了研究,采用以Cortex-M3为核心与电容/电压转换电路、模数转换器(ADC)等模块进行集成化设计的方法,在实现同样功能的情况下减小了陀螺体积;结合MEMS陀螺仪对信号处理资源的要求对存储空间及通信接口进行配置,采用0.18 μｍ BCD加工工艺对SoC进行设计制作;测试结果表明,针对MEMS陀螺仪进行匹配设计的SoC对陀螺输出信号进行温度补偿处理后,全温度区间(-40 ℃～85 ℃)零偏变化量由3.147°/s降低到0.035°/s,显著提升了MEMS陀螺仪的全温测量精度。     

基于TLFK的单轴旋转SINS在线自标定方法

针对单轴旋转捷联惯性导航系统(SINS)中轴向陀螺常值漂移无法被调制抵消的问题,提出一种轴向陀螺常值漂移在线自标定方法.对轴向陀螺常值漂移误差传播路径进行了分析,指出影响轴向陀螺常值漂移估计精度主要因素包括等效东向陀螺漂移、"数学平台"失准角、等效北向加速度计常值偏置等.建立了在线自标定Kalman滤波估计状态方程和量测方程,并设计了一种基于两级Kalman滤波的在线自标定流程.进行了计算机仿真和实际系统验证实验,实验结果表明,第二级Kalman滤波器能够较好地估计得到单轴旋转SINS轴向陀螺常值漂移及其标度因数误差,经过误差补偿后,其24h位置误差由6.71n mile减小为1.96n mile,提高了导航系统定位精度,满足中等精度SINS长时间导航需求.     

煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿

针对现有钻机开孔定位装备在测量精度、成本及操作性上不能满足实际需求的问题,设计了一种将基于单轴光纤陀螺的寻北系统与基于微惯性测量单元的跟踪系统相结合的新型钻孔开孔定向仪。以四位置寻北方法为例,介绍了寻北系统的基本原理,并从光纤陀螺的输出误差、安装误差、倾斜角误差、转位误差、地球物理量误差等方面介绍了寻北系统的各种误差及来源。针对安装误差和倾斜角误差,建立了非线性加速度误差补偿模型;针对光纤陀螺的随机漂移误差,采用卡尔曼滤波方法进行修正。实验结果表明,减小倾斜角、光纤陀螺随机漂移误差、转动机构转位误差、安装误差均可有效提高开孔定向仪寻北精度,满足煤矿井下钻探需求。     

基于DSC的压电陀螺漂移特性测试及其滤波器设计

首先进行了压电陀螺漂移特性分析,重点研究了利用数字信号控制器(DSC,digital signal controller)和LabWindows/CVI软件设计出压电陀螺漂移测试实验,测量出压电陀螺实际的漂移误差数据,由此建立了压电陀螺漂移特性ARMA模型,设计出基于LMI的鲁棒滤波器,并与Kalman滤波器进行了仿真比较,提高了陀螺随机漂移的估计精度,保证了陀螺误差补偿的有效性.     

激光捷联惯性组件精确标定方法研究

建立激光捷联惯性组件(SIMU)的输出模型;研究双轴位置转台下高精度激光SIMU的多位置标定方法,通过正、反向转动和四位置对消标定出激光陀螺的脉冲当量、安装偏差和常值漂移;应用多元回归分析法标定出加速度计的脉冲当量、安装偏差和零偏;分析了地球自转角速率、转台角位置基准偏差对陀螺标定的影响;阐述了提高陀螺组件标定精度的方法。对某型激光SIMU(陀螺漂移稳定性0.007°/h,加速度计零漂5×10-5g)进行标定与实时补偿,静态导航1 h最大纬度误差0.13海里(n mile),经度误差0.24海里(n mile);动态车载实验1 h定位误差0.7723海里(CEP)。     

再入飞行器传递对准建模与仿真

在新型再入飞行器的研究中,保证飞行器落点精度,是通过传递对准技术对飞行器惯性测量系统( Inertial Measurement System,IMS)进行初始对准.针对再入飞行器用IMS的传递对准问题和惯性传感器误差特性,提出建立线性速度与姿态匹配传递对准模型,设计了模块化的传递对准仿真系统,并利用两种典型的再入轨迹进行仿真.仿真结果表明,模型的卡尔曼滤波器能够快速、精确地估计出飞行器子惯性测量系统的姿态误差(20s内估计误差小于0.02°),同时滤波器对陀螺常值漂移有较好的估计效果.     

MEMS陀螺仪的稀疏冗余去噪

为了提高随钻测量过程中MEMS陀螺仪的测量精度,抑制振动信号等对陀螺仪漂移造成测量精度的影响,采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和压缩感知(compressed sensing,CS)的算法进行降噪.首先对MEMS陀螺信号进行EMD分解,利用连续均方误差(CMSE)计算两个连续重构陀螺仪信号的欧式距离,以此将分解得到的模态函数(IMFs)以高、低频的形式分离,剔除高频噪声模态的影响;构建冗余字典,使低频IMFs分量在该字典上稀疏表示,利用贝叶斯理论对优化剩余IMFs分量重构;同时,在该字典上添加一列误差补偿项,通过贝叶斯估计求得.最后将处理后的剩余IMFs分量和补偿项叠加重构.去噪前后,MEMS陀螺仪数据解算的方位角累积误差由11.8562°减小到0.4725°.仿真实验分析可知,该算法可有效去除陀螺仪信号中的噪声.     

金属壳体振动陀螺的多参数温度补偿技术研究

金属壳体振动陀螺具有结构简单、精度高、体积小、可靠性高、寿命长等显著优势,在军用和民用领域都有广阔的应用前景。由于受材料特性影响,金属壳体谐振结构的Q值很难达到极高的水平,使得金属壳体振动陀螺的零偏漂移受温度的影响比较显著。传统的温度补偿方法存在滞回效应,补偿效果不理想。针对该问题,提出了一种多参数温度补偿方法。理论分析结果表明,力反馈模式下,阻尼不均匀变化是引起陀螺零偏漂移的主要因素。根据理论分析结果,选取正交反馈量、温度、驱动电压等三个变量作为补偿量;通过全温区测试,建立陀螺零偏漂移与补偿量的数学模型,利用该模型对陀螺零偏漂移进行补偿。补偿后,陀螺的全温区零偏漂移由补偿前的300 (°)/h减小为10 (°)/h,而采用传统温度补偿方法后的零偏漂移为35(°)/h,验证了该方法的有效性。     

光纤陀螺捷联系统振动误差补偿研究

针对舰船振动环境对光纤陀螺捷联系统性能的影响,提出基于神经网络的非线性数学补偿方案。对加速度计信息作傅里叶分析,进行振动特征提取;利用提取的振动特征值作为输入向量进行BP神经网络训练,建立光纤陀螺误差输出模型;对陀螺进行在线补偿,减小振动引起的漂移误差,提高了捷联系统初始对准精度。     

基于光纤陀螺的单周快速动态寻北算法研究

以单个单轴光纤陀螺为主要惯性测量器件,提出了一种新的基于单周期逐点最小二乘拟合的快速动态寻北方案。该方法先利用连续恒速的机械旋转将光纤陀螺的输出信号调制成一定频率的余弦调幅波;然后,通过恰当的数字滤波处理较好地抑制了随机漂移和各种高频干扰对测量精度的影响,最后,通过整周期逐点最小二乘拟合显著地降低了低频干扰的影响,提高了寻北精度;并在此基础上进行了实验室实际测试和误差分析。实验结果表明:选用精度0.8°/h的光纤陀螺和该寻北算法,在12′内便可实现10个角分的较高解算精度,操作简单,稳定性好。     

基于变换无迹卡尔曼滤波的随钻测量误差在线辨识

针对随钻测量(MWD)工作环境复杂多变,随钻器件测量的精度降低的问题,设计了基于变换无迹卡尔曼滤波(TUKF)法对测量误差进行在线辨识和补偿.首先,建立加速度计和陀螺仪的输出误差模型,选取导航误差参数以及传感器误差参数作为系统状态变量;然后,以钻杆钻进时实时解算出的姿态角与钻机每次停机时的钻具姿态角作差作为系统观测量,设计状态方程和量测方程对惯性器件误差进行在线辨识;最后,通过误差补偿方程对惯性器件进行补偿.运用此方法分别设计了振动台实验、模拟钻进实验和钻进实验,实验结果表明,设计的在线辨识方案通过标定补偿后,随钻测量中钻具的工具面角输出误差减小到0.8°,倾斜角输出误差减小到1°,比无迹卡尔曼滤波方法精度提高了50％,所提方法克服了随钻测量时钻具振动带来的影响,为实际钻井进一步提高数据可信度提供理论依据.     

基于变换无迹卡尔曼滤波的随钻测量误差在线辨识

针对随钻测量(MWD)工作环境复杂多变,随钻器件测量的精度降低的问题,设计了基于变换无迹卡尔曼滤波(TUKF)法对测量误差进行在线辨识和补偿.首先,建立加速度计和陀螺仪的输出误差模型,选取导航误差参数以及传感器误差参数作为系统状态变量;然后,以钻杆钻进时实时解算出的姿态角与钻机每次停机时的钻具姿态角作差作为系统观测量,设计状态方程和量测方程对惯性器件误差进行在线辨识;最后,通过误差补偿方程对惯性器件进行补偿.运用此方法分别设计了振动台实验、模拟钻进实验和钻进实验,实验结果表明,设计的在线辨识方案通过标定补偿后,随钻测量中钻具的工具面角输出误差减小到0.8°,倾斜角输出误差减小到1°,比无迹卡尔曼滤波方法精度提高了50％,所提方法克服了随钻测量时钻具振动带来的影响,为实际钻井进一步提高数据可信度提供理论依据.     

无陀螺惯性测量组合模型方案设计

无陀螺惯性测量组合(GFIMU)是利用线加速度计在空间的组合解算出载体的角速度,同时测量载体的轴向加速度,构成惯性测量组合.提出了GFIMU十二加速度计配置方案,该方案直接得出角速度数值表达式,有效避免了求解微分方程组带来的积分误差.在推导导航参数计算数学模型的基础上,设计了实物结构模型和数据采集电路,并进行了系统标定实验.提出了基于三维转台的接近gn值点和0点的多位置标定方法,可以有效地减小在加速度计标定中方位误差带来的影响.     

车载惯性稳瞄/寻北组合系统研究

本研究适用于坦克等陆用战车上的一种全新的惯性自寻北/稳瞄组合系统.该系统对战车上的稳瞄平台增加一些惯性器件以及相应控制回路,使其同时具有了寻北功能.本方案采用双位置寻北计算法,经过两次对准,解算出方位角,且对方位及水平两轴同时进行陀螺漂移的解算及补偿,从而进一步提高了寻北精度.本系统可以在车载条件下,停车完成自动寻北,寻北时间小于5.5 min;本系统还具有在机动时进行方位保持、实时提供载体倾斜角和俯仰角等功能.     

随钻测量用微小型惯性测量单元设计

为满足随钻测量仪器在小口径油井、高频振动、强冲击等环境中的应用需求,使用光纤陀螺与石英挠性加速度计作为传感器组件,设计加速度计信号采样电路,小型化导航计算模块采用SOPC＋SDRAM＋FLASH,完成传感器信号采集、误差补偿、导航解算以及与上位机通信等功能。惯性测量单元（ IMU）集成了电源模块、传感器组件和导航计算机,最终制作成38 mm的随钻测量仪器。实验结果表明：当井斜角不小于5°时,样机能够达到系统姿态解算精度要求（井斜角误差小于±0.2°,方位角误差小于±2°,工具面角误差小于±0.2°）。     

基于Kalman滤波和神经网络的MEMS陀螺温度漂移补偿

MEMS陀螺温度漂移严重影响系统的测量精度。传统的BP神经网络建模补偿容易使权值和阈值陷入局部极小值,导致网络训练失败。陀螺输出信号中的高频噪声也会影响模型精度。针对上述问题,该文提出一种Kalman滤波结合粒子群算法(PSO)优化BP神经网络的MEMS陀螺温度漂移补偿方法。首先对陀螺进行了温度漂移测试实验,然后采用Kalman滤波对实验数据进行降噪,最后建立陀螺温度漂移模型,从而实现温度漂移的补偿。实验结果表明,采用该方法补偿后MEMS陀螺在不同温度下的输出方差降低了65.09%,与传统的BP神经网络相比补偿精度明显提高。