基于椭球拟合的三轴陀螺仪快速标定方法

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件,其测量精度直接影响惯性导航系统的姿态解算的准确性,对其准确、快速地校准显得至关重要.目前陀螺仪所采用的位置标定和速率标定方法,存在测试条件苛刻,需要精密的标定测试设备和高精度的北向基准,且标定时间长等问题.在分析了三轴陀螺仪误差模型的基础上,提出了一种基于椭球拟合算法的三轴陀螺仪快速标定方法.该方法通过对三轴陀螺仪在不同姿态下对同一角速度矢量的测量数据进行椭球拟合,可快速标定出该三轴陀螺仪的零偏、灵敏度、不正交等静态误差,进而对角速度矢量测量数据进行补偿,以提高测量结果的准确度.实验结果表明该方法可有效提高三轴陀螺仪的测量精度.     

双轴地磁传感器的参数标定与误差补偿

针对在双轴地磁传感器与卫星组合测量弹丸姿态的系统中双轴地磁传感器容易受外界误差因子干扰的问题,通过分析影响地磁传感器测量精度的误差因子,提出了一种参数标定和基于椭圆旋转的误差补偿算法。首先,假设双轴地磁传感器存在虚拟x轴,对传感器的误差因子进行建模,得到误差补偿模型;其次,对传感器双轴输出表达式中的参数进行标定;对双轴的测量值集合形成的椭圆进行旋转;最后,计算误差补偿模型中的6个参数。三轴无磁转台实验数据分析表明,该方法可以将双轴地磁传感器测量滚转角的误差精度控制在±2°之间,基本满足了弹丸姿态测量的要求。     

高精度嵌入式地磁测量仪的研究与实现

研制了一款基于三轴磁传感器的高精度嵌入式地磁测量仪,同时针对三轴传感器的零偏误差、比例因子误差、非正交误差及非线性误差建立了高精度误差校正模型,并通过分段线性拟合与高斯牛顿迭代法对补偿参数进行求解。实验结果表明,传感器各轴的测量误差得到了明显抑制,总磁场强度的均方根误差从约300 n T降至约7 n T。     

十字形磁梯度张量系统的误差校正

针对十字形磁梯度张量系统中的单磁力仪误差(三轴灵敏度偏差、非正交误差和零点漂移误差)以及磁力仪之间存在的不对正误差,提出了十字形磁梯度张量系统的误差校正方法。首先,建立单磁力仪误差模型,采用基于椭球约束的最小二乘拟合算法对磁力仪的测量数据进行拟合从而得到椭球拟合参数;然后,接着利用Cholesky分解得到单磁力仪误差校正矩阵;最后在单磁力仪误差校正的基础上,利用正交Procrustes方法对不同磁力仪间的测量数据进行拟合从而得到磁力仪间的不对正误差校正矩阵。对提出的方法进行仿真与实测实验验证,实验结果表明:经过校正,磁梯度张量各分量的最大波动量由10 049nT/m降到52nT/m。提出的校正方法可以基本消除十字形磁梯度张量系统的误差,提高测量结果的准确度,且方法操作简单,不需要高精度的三轴无磁转台等设备,具有较高的实用价值。     

基于椭球假设的三轴电子罗盘罗差补偿研究

为实现三轴电子罗盘的自动罗差校正,对基于椭球假设的罗差补偿算法进行了研究.从描述载体干扰磁场的泊松模型出发,分析了椭球假设的合理性与局限性,给出了利用椭球拟合实现罗差补偿的算法,并进行了数值仿真及实验验证.实验结果表明,基于椭球拟合的罗差校正方法的剩余误差主要表现为常值误差与半圆罗差的结合,该方法可在无外部航向基准条件下实现三轴电子罗盘的自动罗差校正.     

微型捷联航姿系统误差分析与补偿

针对由三轴磁传感器、三轴加速度计和三轴速率陀螺构成的九轴传感器航姿系统,基于九轴传感器的姿态解算方法,详细分析了传感器的误差来源并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2.6°降低为补偿后0.19°;补偿后加速度计的俯仰角最大误差为0.19°,倾斜角最大误差0.19°;速率陀螺的静态误差补偿在4 min之内航向角误差为±0.2°,俯仰角补偿后误差±0.3°,倾斜角补偿误差±0.3°;当速率小于14.7(°)/s时,动态误差控制在±0.95°。     

6UPS并联机构铰链间隙误差的标定与精度分析

研究了常用的机构标定方法及相应的测量工具,使用激光干涉仪完成了测量实验,并使用矢量法误差求解模型对测量结果进行了分析计算,获得了机构静平台铰链的安装位置误差、杆长的误差变化、动平台铰链的位置误差数值,并提出了采用拟合误差椭球面的方法对铰链位置装配误差与铰链间隙误差进行分离的误差分析方法,研究了椭球的求解方法,得到了椭球的长轴、次长轴和短轴参数,进一步比较了所有铰链误差在坐标系中的空间分布情况,研究了机构安装结构和铰链类型与误差分布规律的相互关系,这样优化的误差数据可以取得比较好的补偿效果。     

航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法

针对航向测量系统中三轴磁传感器误差参数标定问题提出了等效两步法。通过奇异值分解将测量模型等效为一组坐标变换,分析误差参数的几何意义及等效变换方法的意义与特点,依据几何意义将标定过程分为两步进行,即等效传感器坐标系标定及等效非对准标定。利用椭球面方程系数计算等效传感器坐标系误差参数,明确椭球法标定参数的几何意义;应用主成分分析法进行等效非对准标定,分析传统主成分分析法产生符号错误及非正交问题的原因与影响,并研究符号修正与正交修正方法。等效两步法的标定过程不需要航姿参考、地磁信息及辅助传感器,实验表明其航向角校正精度与点积不变法相当。     

三轴磁罗盘标定位置分布的研究

针对符合椭球假设的误差模型,分析了均匀取点和非均匀取点对椭球拟合精度及误差校准效果的影响,在此基础上提出了等夹角均匀取点算法.仿真结果表明等夹角均匀取点算法优于等面积均匀取点算法,通过等夹角均匀取点,并结合夹角恒定假设条件进一步修正航向角,可以在信噪比100∶1的情况下使航向角误差控制在±0.1°.实测实验进一步证实了等夹角均匀取点算法的可行性,航向角误差小于±0.15°.等夹角均匀取点算法提高了三轴磁罗盘误差补偿精度,满足地磁导航的要求.     

高精度位移传感器线性度标定方法研究

针对光学系统中光学元件的高精度位移调节和检测问题,提出一种非接触电容位移传感器的线性度标定方法,搭建了一个运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的标定平台,从测量原理上消除阿贝误差。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现微位移调节,基于柔度矩阵法分析了调节机构的输出柔度和行程。试验结果表明,机构的柔度为13.585μm/N,运动行程为543.4μm,分辨率约为10 nm。经过标定补偿计算,传感器的线性度由0.047 14%提高至0.004 84%。该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足精密位移调节机构使用要求。     

Prewitt 霍尔磁梯度张量系统结构设计

为实现高速磁浮轨道长定子行波主漏磁场小空间、mT量级磁梯度张量的准确测量,将图像边缘检测领域的Prewitt梯度算子进行实例化,设计了一种由8只霍尔磁敏传感器构成的小体积、低成本的磁梯度张量测量结构。通过空间冗余的手段,克服了霍尔磁敏传感器零点偏移大,灵敏度一致性差的特点,也为传统磁梯度张量测量系统传感器的空间布局提供了一种新的思路。实验结果表明,相对传统十字形、正方形结构,Prewitt结构可将多传感器上述两种参数不一致导致的测量误差分别减小至原来的-10.4%和58.1%,有效降低了测量系统对传感器参数一致性的要求,避免了复杂高成本的三轴传感器标定与误差校正环节。     

Integrated calibration and magnetic disturbance compensation of three-axis magnetometers

Technological limitations in sensor manufacturing and unwanted magnetic fields will corrupt the measurements of three-axis magnetometers. An experiment with four different magnetic disturbance situations is designed, and the influence of hard-iron and soft-iron material is analyzed. The calibration method with magnetic disturbance parameters is proposed for calibration and magnetic disturbance compensation of three axis magnetometers. It is not necessary to compute pseudo-linear parameters, thus the integrated parameters are computed directly by solving nonlinear equations. To employ this method, a nonmagnetic rotation equipment, a CZM-3 proton magnetometer, a DM-050 three-axis magnetometer, two magnets and two steel tubes are used. Calibration performance is discussed in the four situations. Compared with several traditional calibration methods, experiment results show that the proposed method has better integrated compensation performance in all situations, and error is reduced by several orders of magnitude. After compensation, RMS error is reduced from 10797.962 nT to 15.309 nT when the big magnet and steel tube are deployed. It suggests an useful method for calibration and magnetic disturbance compensation of three-axis magnetometers.     

矢量磁力仪本体磁性现场校正算法研究

海洋磁力仪的本体磁性校正是磁力仪应用系统的核心技术,尤其当载体磁性发生改变后,其现场的校正算法是影响其应用有效性的关键。先分析了搭载有三轴磁通门磁力仪的水下勘探系统的主要磁干扰源,描述了相应的磁校正模型,简明扼要地介绍了椭球拟合、粒子群、遗传及粒子群遗传混合等算法,并逐一通过MATLAB予以实现。最后使用水下载体在西南印度洋的作业数据对上述算法进行功能性验证。由校正前后的数据波动情况、均方根误差值和相对误差值可知,磁校正领域混合算法校正效果相对较佳,能提高磁力仪传感器的测量有效性。     

考虑横向灵敏度的三轴加速度传感器标定方法研究

横向灵敏度是单轴加速度传感器的重要指标之一,它直接影响到三轴加速度传感器的标定模型与测量精度.本论文以三轴MEMS加速度传感器为研究对象,在传统的标定模型中引入了导致测量耦合的横向灵敏度误差,建立了一种新的三轴加速度传感器标定模型,该模型将传感器的横向灵敏度以对称矩阵的形式引入现有的标定公式,构建了包含零位偏差、标度因...     

Calibration of three-axis fluxgate magnetometers with nonlinear least square method

The accuracy of three-axis magnetometers is limited by different scales, bias of each axis and nonorthogonality between axes, which is usually lower than that of scalar magnetometers. In this paper, the nonlinear least square method is proposed to calibrate three-axis magnetometers. The validity of this method was proved by simulation, in which the estimated parameters of the error model are close to prearranged parameters. In experiment, a three-axis fluxgate magnetometer (DM-050), a two dimensional nonmagnetic rotation equipment and a proton magnetometer (GSM-19T) were used. The scalar value of magnetic field was obtained by proton magnetometer and considered to be the true value. The calibration performance of unscented Kalman filter (UKF), two-step algorithm and nonlinear least square were compared. Experimental results show that the error average and standard deviation of nonlinear least square are the least among the three methods. After calibration, the average of scalar error is reduced from −76.2 nT to −0.00093 nT and the standard deviation is reduced from 10.832 nT to 4.298 nT. The results suggest an effective way for the calibration of three-axis fluxgate magnetometers.     

一种新型大中心孔绝对式磁编码器

为测量机器人关节端角度和电机端位置,研制一种基于霍尔原理的新型绝对式磁编码器,采用大中心孔结构,具有大的中心孔、体积小、结构紧凑、分辨率高、绝对式位置测量等特点。传感器由转子和定子组成,转子的磁码盘包括主码道和游标码道,定子由霍尔敏感芯片和信号调理电路板组成;根据游标计算原理,得到了传感器绝对角度的计算方法。通过仿真软件分析了转子的磁场分布和模态;为进一步提高磁编码器的输出精度,提出一种基于遗传优化算法的误差补偿模型,搭建了传感器的标定平台,实验结果表明传感器绝对定位精度可以达到0.2°,经过模型补偿后可以达到0.036°,满足机器人关节及伺服系统设计要求。     

Calibration strategy and generality test of three-axis magnetometers

Calibration strategy will influence the calibration performance of three-axis magnetometers. In this paper, three different calibration strategies (symmetrical calibration, orthogonal calibration and random calibration) are introduced and verified by simulation and experiments. The experimental system mainly consists of three-axis fluxgate magnetometer (MAG3300), 2D nonmagnetic rotation equipment and proton magnetometer. The scalar value of magnetic field was obtained with proton magnetometer and considered to be the true value. Calibration performance of three different calibration strategies were analyzed and compared. Experimental results show that after calibration the scalar RMS error has dropped 88.5%, 85.5% and 87.6% respectively. To check the generality of the estimated error parameters, another site was chosen to be a validation position, and the calibration performance of three calibration strategies were tested and compared. After calibration, the scalar RMS error has dropped 83.2%, 78.9% and 78.8% respectively. Thus the symmetrical calibration is considered to be the best calibration strategy among three calibration strategies.