Effective accelerometer test beds for output enhancement of an inertial navigation system

This paper is submitted upon a research to enhance the output of an accelerometer widely used in inertial navigation units. In our study we introduce relatively simple and effective test beds to collect accurate and diverse reference data. We also carried out calibration runs with a highly accurate electromechanical shaking table. The proposed test beds compare well with sophisticated counterparts. The collected data is used to train artificial neural networks (ANNs) which would improve the accelerometer outputs by estimating the reference data from the actual sensor outputs. The ANN performance is compared with classic low pass filtering methods to provide a relative performance criterion. In this paper we focus on test beds rather than to give the details of the whole study. The test beds introduced in this research can be used for acquiring reference data for implementation of other different filter methods as well.     

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响.应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型.在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图.在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150 s导航试验数据.结果表明:导航系X轴的相对系统误差＜20%,Y轴、Z轴的相对系统误差＜4%,验证了误差数学模型的正确性.此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响.     

High accuracy navigation information estimation for inertial system using the multi-model EKF fusing adams explicit formula applied to underwater gliders

The underwater navigation system, mainly consisting of MEMS inertial sensors, is a key technology for the wide application of underwater gliders and plays an important role in achieving high accuracy navigation and positioning for a long time of period. However, the navigation errors will accumulate over time because of the inherent errors of inertial sensors, especially for MEMS grade IMU (Inertial Measurement Unit) generally used in gliders. The dead reckoning module is added to compensate the errors. In the complicated underwater environment, the performance of MEMS sensors is degraded sharply and the errors will become much larger. It is difficult to establish the accurate and fixed error model for the inertial sensor. Therefore, it is very hard to improve the accuracy of navigation information calculated by sensors. In order to solve the problem mentioned, the more suitable filter which integrates the multi-model method with an EKF approach can be designed according to different error models to give the optimal estimation for the state. The key parameters of error models can be used to determine the corresponding filter. The Adams explicit formula which has an advantage of high precision prediction is simultaneously fused into the above filter to achieve the much more improvement in attitudes estimation accuracy. The proposed algorithm has been proved through theory analyses and has been tested by both vehicle experiments and lake trials. Results show that the proposed method has better accuracy and effectiveness in terms of attitudes estimation compared with other methods mentioned in the paper for inertial navigation applied to underwater gliders.     

车载定位定向导航系统检测仪的设计与实现

本文针对车载定位定向导航系统的结构特点及其在性能检测和故障诊断方面存在的不足。在充分利用该系统现有硬件资源并且不改变其硬件结构的基础上研制了一种检测仪。该检测仪通过串行通信的方式获取导航系统惯性器件的状态数据．采用了基于BP神经网络的数据处理与故障诊断算法．实现了惯性器件的性能检测、故障诊断和检测数据存储等功能．显着提高了检测速度和故障诊断的准确辜。其检测原理为已有装备的性能检测和故障诊断提供了一种新思路。     

一种单轴旋转捷联惯导的三位置对准方法

针对单轴旋转式捷联惯性导航系统,提出了一种基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的三位置初始对准方法.在系统可观测性分析的基础上,建立IMU姿态与失准角之间的关系,提出了使失准角估计偏差为零的三位置对准方法.与以往固定位置对准和两位置对准进行了比较,表明该方法可以消除不可观测的水平加速度计零偏和东向陀螺常值漂移对初始对准精度的影响,大大提高了系统初始对准精度.     

长航时惯导系统全阻尼综合校正算法

针对惯导系统长时间工作时导航误差随时间发散的问题,提出一种适用于长航时惯导系统的全阻尼综合校正算法。设计了全阻尼网络,利用外部速度量测对惯导系统进行水平和方位阻尼,衰减了导航误差中舒拉周期及地球自转周期振荡;根据全阻尼条件下的惯导系统误差传播规律设计了综合校正算法,利用不定期获取的外部参考位置计算导致导航误差发散的陀螺漂移并进行修正,更好地保证了惯导系统的工作自主性。试验结果表明,该算法明显地抑制了惯导误差随时间的发散,可有效提高长航时惯导系统的导航精度。     

基于级联滤波的建筑结构信息/惯导室内定位方法

针对以惯性传感器为核心的鞋绑式室内行人导航定位中位置及航向误差无法有效校正的问题,通过集成微机电惯性传感器和室内建筑结构信息,提出一种级联结构的卡尔曼粒子滤波的室内融合定位方法.首先在下级卡尔曼滤波采用零速更新初步修正惯性导航的解算误差;上级粒子滤波器利用室内建筑结构信息通过穿墙检测进一步校准行人位置和航向.实验结果表...     

垂线偏差对惯导系统位置误差的影响分析

针对制约高精度惯性导航系统精度的垂线偏差误差项问题，研究了垂线偏差对惯性导航系统水平位置误差的影响及各级惯导系统误差补偿时垂线偏差的指标需求。首先，推导了垂线偏差引起的惯导系统误差项的直接差分法和四阶龙格库塔数值更新算法，对比分析了两种算法在不同地区的水平位置误差的更新效果；然后，采用3种分辨率的垂线偏差网格数据对惯导系统进行补偿；最后，分析了垂线偏差补偿频率对位置误差补偿的效果并开展了车载导航DOV补偿实验。仿真及实验结果表明，两种误差更新算法都可以有效计算水平位置误差；垂线偏差最大可引起近3 000 m的位置误差，水平姿态误差与方位姿态误差1 h漂移约18″和72″;经DOV补偿后，水平定位精度提升了约230 m。     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。     

无人机磁惯导系统中陀螺仪的叉积标定算法*

针对无人机磁惯导系统(MINS)中的三轴MEMS陀螺仪的现场标定问题,提出了一种叉积标定算法。该方法基于载体矢量变化率与角速度关系来标定陀螺仪的各项误差,即导航坐标系中任一常矢量在无人机载体坐标系中对时间的变化率,可表示为该矢量与载体角速度的叉积。叉积标定法利用这一原理,可在无精密设备的条件下快速、便捷地对三轴陀螺仪进行标定。数值仿真表明,叉积标定法在微分形式和积分形式下都能有效地辨识和补偿陀螺仪的各项误差系数,并且能在各种不同因素影响下获得良好的标定效果。实物试验结果证明,基于地磁矢量辅助的叉积标定法对MINS模块中陀螺仪进行标定时,其精度达到0.227 9°/s,能够接近于转台标定的水平。陀螺仪标定后的数据与旋翼无人机飞控中的二阶互补滤波算法相结合,使得定点悬停状态下角度偏差控制在0.8°以内,有利于无人机现场标定和实际飞行中姿态数据的量测。     

无人机磁惯导系统中航向校正的双内积算法

针对无人机磁惯导系统中广泛采用的三轴磁强计,建立航向角误差模型,分析出航向角的非对准误差等效为常值误差加半圆罗差,提出了一种基于双内积的航向误差校正方法,即利用地磁场矢量与自身内积得到的模值为定值以及地磁矢量与重力矢量二者的内积为常数原理进行航向角解算补偿。该方法能克服基于矢量模值不变校正方法无法补偿非对准误差的缺陷,可实现三轴磁强计的完全校正。数值仿真及实验结果显示,该方法校正效果优于标量校正法、点积不变法以及两步法,能有效降低磁场矢量的模值误差和无人机航向角误差,且对磁惯导系统中的传感器噪声有较好的鲁棒性。     

基于虚拟仪器技术的捷联惯性/ GNSS组合导航系统自动测试系统设计

捷联惯性/GNSS组合导航系统是飞机定位和导航的重要机载电子设备;但是开发具有模块化、柔性、通用性和远程控制和测试功能的通用自动测试平台,却是一个难题.文中在简要介绍虚拟仪器技术的基础上,提出用虚拟仪器技术开发通用自动测试系统的设计方法;详细介绍了捷联惯性/GNSS组合导航系统测试系统的软硬件设计,重点分析了设计中难点问题及其解决方法.通过实际测试和评估,该综合测试系统性能稳定、可靠,操作方便,界面友好.     

基于CAN网络小型直升机自动驾驶仪硬件及导航系统设计

本文介绍一种基于CAN网络的无人直升机自动驾驶仪的硬件系统结构与姿态导航原理。此系统采用GPS+INS组合导航系统,通过非线性卡尔曼滤波[1]计算飞机姿态与导航信息。     

On modeling and vibration of gear drives influenced by nonlinear couplings

Gear drives are one of the most common parts in many rotating machinery. When the gear drive runs under lower torque load, nonlinear effects like gear mesh interruption can occur and vibration can be accompanied by impact motions of the gears. This paper presents an original method of the mathematical modeling of gear drive nonlinear vibrations using modal synthesis method with degrees of freedom number reduction. The model respects nonlinearities caused by gear mesh interruption, parametric gearing excitation caused by time-varying meshing stiffness and nonlinear contact forces acting between journals of the rolling-element bearings and the outer housing. The nonlinear model is then used for investigation of gear drive vibration, especially for detection of nonlinear phenomena like impact motions, bifurcation of solution and chaotic motions in case of small static load and in resonant states. The theoretical method is used for investigation of two-stage gearbox nonlinear vibration.     

天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验

针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理。建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响。结果表明:当太阳高度角hs40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°hs75°时,误差为3.764°;精度明显降低。另外,载体水平角越大,模型误差角对定向精度的影响程度也越显著;载体水平时,定向误差为0.323°,而倾斜后误差增大为1.352°。文中对仿生偏振光定向的影响机理分析为补偿偏振模型误差,实现高精度偏振光定向提供了理论依据。     

基于MapX的导航程序的设计与开发

近年来,随着科学技术的迅猛发展,GPS和GIS在电子导航系统的应用日趋广泛并且研究也更加深入。该文介绍了建立在对象链接与嵌入技术基础上的地图控件MapX的数据结构、功能接口以及运行机制,并介绍了使用MapX开发电子导航系统中的地图模块的方法,文章最后设计了一种快速地图匹配算法。     

Simulation results for on-line optimization of a batch bioreactor using nonlinear filtering and optimal control

The computation of optimal control profiles for batch bioreactors is based on the use of simple and empirical dynamic models. Since these models present some level of uncertainty, the difference between the model dynamics and the reactor dynamics can have significant effects in the reliability of the calculated profile. To develop near optimal control trajectories considering this drawback, we propose to calculate successive control profiles on a moving time horizon using a mathematical model in which the kinetic parameters are estimated by an observer. The desired objective is to generate a near optimal control trajectory adapted to the "running" fermentation. This idea results in a nonlinear estimator plus an optimizer arrangement that so far has not been applied to batch fermentors. Numerical simulations are performed on xanthan-gum batch fermentations and reasonably good results are obtained.     

机场导航装备监控系统数据采集与处理

鉴于数据采集与处理在机场通信导航装备监控系统中的重要性.提出了数据采集的原则.针对不同的通信导航装备采用相应的数据采集方法.并根据采集数据的种类采用不同的数据处理方法.     

基于双DSP和FPGA的导航处理系统设计

机电技术的发展为惯性测量系统的大量应用奠定了基础。针对深海导航应用场合,为了提高深海惯性导航的精度和实时性,设计了基于双数字信号处理器（DSP）和可编程逻辑门阵列（FPGA）的捷联惯性导航计算机,成功构建了低成本、小型化的捷联惯性导航系统（SINS）。重点描述了双DSP和FPGA导航计算机的硬件设计思路。扼要介绍了系统软件的框架结构。与目前大多数的惯性导航系统相比,该系统体积小、重量轻、功耗低,适用于运算复杂的嵌入式惯性导航系统。实验室车载实验结果证明了上述设计的正确性和可行性。     

仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。