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.     

不依赖精密转台的 MEMS-IMU 误差标定补偿方法

微机电惯性测量单元(MEMS-IMU)具有尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高等优点,在机器人、虚拟现实以及智能穿戴等诸多领域广泛应用。低成本的微机电惯性测量单元在使用过程中受噪声和零偏误差等影响,需要通过测试和误差补偿手段来提高其实际使用精度。本文提出了一种全面测试和补偿惯性测量单元误差的方法,通过建立MEMS-IMU的误差模型,使用优化方法标定误差模型中的系统误差参数;使用Allan方差分析方法确定随机误差参数;基于上述结果,采用与视觉融合的非线性优化方法在线实时估计并补偿零偏,最终达到提高定位精度的目的。通过实验分析,上述组合方法不需要使用专门测试标定设备,能够有效补偿低成本微机电惯性测量单元的误差,提高定位精度。     

高精度角度传感器自动标定系统

采用直流力矩电机分度,同步采集系统进行数据采集,对高精度两路关联角度传感器自动标定。为了实现秒级角度的自动标定,采用了闭环控制系统和角度误差补偿,在±3°范围内,控制精度可达到0.2″。利用虚拟仪器技术整合数据采集和控制系统,使得标定高效方便。     

数据采集系统中桥路自动调零的算法实现

本文主要阐述了数据采集系统的一般框架模型,介绍了传感器的标定和桥路平衡的原理,提出了一种桥路自动调零的算法.该算法采用软件自动控制的方法,完全实现了自动化,方便、快捷,大大提高了系统工作效率、降低了试验成本,同时也体现了"软件就是仪器"的原理思想.     

曲轴在线综合测量机的原理及组成

介绍了一种汽车曲轴在线多参数综合测量机,该机采用气电转换技术、信号调理电路及多路信号采集等方法,可自动完成曲轴终检工序47个参数的综合测量,其准确度误差<2μm。测量机所具有的专用测量系统与控制软件技术,实现了自动识别和处理零件的几何特征(如键槽、油孔等),具有自动调频、自动调零与校准、故障自检等功能。     

校准能见度仪用标准散射体定标系统装调技术

为了实现校准能见度仪用标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,提出了一种新型的校准能见度仪用标准散射体定标系统,重点研究了该系统的装调技术。根据定标系统的组成与工作原理,建立了定标系统装调光学模型,并提出由抛物面反射镜与全景成像能量检测系统相对位置装调以及抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统相对位置装调组成的定标系统装调方案。建立校准能见度仪用标准散射体定标系统极限误差计算模型,在入射光线角度为45°的情况下,计算出装调过程中抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差分别为3.18°和0.847°,抛物面反射镜与全景成像能量检测系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差的极限装调误差均为2.14 pixel。实验证明装调后的校准能见度仪用标准散射体定标系统的最大角度检测误差为0.795°,满足定标系统的角分辨率是1°的使用要求。     

单目相机-IMU外参自动标定与在线估计的视觉-惯导SLAM

针对视觉-惯导信息融合同时定位与地图构建(VI-SLAM)中,单目相机-惯性测量单元(IMU)外参离线标定繁琐的问题,以及单目相机-IMU外参因传感器受到冲击或调整发生变化影响系统跟踪精度的问题,提出一种单目相机-IMU外参自动标定与在线估计的VI-SLAM算法。该算法首先利用手眼标定方法计算单目相机-IMU外参旋转矩阵并估计陀螺仪零偏;接着,在不考虑加速度计零偏的情况下估计系统的尺度、重力加速度以及单目相机-IMU外参平移向量;然后,利用已知的重力加速度大小估计加速度计零偏并更新以上已估计的初始化参数;最后,将单目相机-IMU外参放入状态向量中进行在线估计。EuRo C数据集实验表明,该VI-SLAM算法可以自动标定并在线估计单目相机-IMU外参,得到的旋转与平移外参误差分别在0. 5°和0. 02 m之内,这有利于VI-SLAM系统的快速使用以及精度的提升。     

模糊自适应整定PID的MEMS陀螺温控系统设计

MEMS陀螺的零偏、零偏稳定性和重复性等指标与陀螺温度直接相关,MEMS陀螺零偏主要由温度漂移造成。为了提高陀螺性能指标,设计了一套模糊自适应整定PID的MEMS陀螺温控系统。试验表明,该系统静态误差小于±0.3℃,超调小,稳定时间短,而且在各温度环境下升温曲线比较一致,保证了陀螺每次上电的零偏重复性。     

基于椭球拟合的三轴磁传感器快速标定补偿方法

考虑到现有多轴磁传感器的标定补偿方法中普遍存在操作时间长、计算量较大、标定设备要求高、场地要求面积大等问题,提出一种基于椭球拟合的三轴磁传感器误差标定补偿方法。首先,分析传感器误差产生机理,并在此基础上,建立传感器误差模型,推导出各误差系数的计算公式,并利用椭球拟合的方法对三轴磁传感器进行测试标定与误差补偿。实验结果表明,该方法能够正确、有效地标定补偿三轴磁传感器的不正交误差、灵敏度误差以及零偏误差,具有操作简捷、省时、精度高等特点。     

基于FPGA的高速高精度数据采集系统的设计

针对数据采集系统存在采样率低和误差大的问题,提出了一种基于FPGA的高速高精度数据采集系统的设计,系统ADC采用并行多通道分时交替采样技术实现对输入信号的高速采集,在对系统各个模块进行介绍的基础上,重点分析了由并行多通道分时交替采样技术带来的偏置、增益和时延误差,根据3种误差的特性,提出了误差矫正方法,对系统进行测试,结果表明该系统可完成明显的误差矫正且能实现对信号带宽为200 MHz,采样率为1 GHz的数据高速高精度采集。     

Multiport vector network analyzer calibration using the generalized 3-term error model

A generalized 3-term error model, where only three error matrixes are defined, is proposed for the calibration of n-port vector network analyzer (VNA) with n + 1 measurement channels. In this model, the node is replaced by the complex vector, and correspondingly the branch gain is represented by the complex square matrix. According to this error model, which also obeys the fundamental rules of flow graph, the formula for actual scattering matrix of an n-port DUT can be deduced. Finally, the actual S-parameters of a four-port device can be corrected and they are compared with the measurement results by Agilent VNA E5071B. The good agreement attests the precision of the calibration algorithm.     

三轴数字MEMS加速度计现场标定方法

微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值。提出一种基于长方体的六位置简单标定方法,对比三轴转台精确标定结果表明六位置简单标定法简单易行,精度较高,易于单片机实现,适合不具备三轴转台的场所,且该方法对MEMS三轴数字加速度计的校准具有很好的通用性。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

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。     

激光自准直测角中零位畸变模型及仿真

基于透视投影变换和空间解析几何理论,提出了一种新的激光自准直测角模型建立方法,通过对像点的椭圆轨迹中心与系统基准零位的分析,建立了基准零位畸变误差模型,并进行了仿真研究,获得了该误差的变化规律,为激光自准直测角系统标定、基准零位的确定等问题的有效解决提供了一个有效的理论依据,具有一定的理论意义和工程实际应用价值。     

利用正交位移测量系统进行六自由度并联机构参数标定

为了简化六自由度并联机构的参数标定过程,提高标定效率,降低标定成本,提出了基于正交位移测量系统的位姿测量装置及方法。首先,研究了该装置的位姿解算方法,利用空间解析几何的方法,求解其运动学正解与逆解。其次,利用微小位移合成法,建立了并联机构及正交位移测量系统组合体的误差模型。然后,基于误差模型,构建了组合体参数误差辨识的最优化问题数学模型,其中,传感器示值的平方和最小为目标函数,组合体的结构参数误差为设计变量。最后,利用正交位移测量系统对六自由度并联机构位姿进行测量,利用OASIS奥希思软件直接搜索出参数误差最优解,将其补偿到并联机构控制系统中,完成并联机构的参数标定。标定前后位姿误差对比表明:最大位置误差降低了58%~96%,最大姿态误差降低了92%~97%。利用正交位移测量系统进行并联机构参数标定,不仅可有效提升并联机构的定位精度,还可有效简化标定工作,提升标定效率,降低标定成本。     

Calibration-based thermal error model for articulated arm coordinate measuring machines

The influence of thermal changes in the accuracy of articulated arm coordinate measuring machines (AACMMs) is one of their main error sources. Usually, the effects of this problem are minimized by using low thermal-expansion materials in the arm design or by implementing an empirical error correction model based on the outputs of several temperature sensors placed inside the arm. These models, inherited from temperature correction models for robot arms, are based on the empirical arm positioning error characterization of several temperatures inside its measuring range and by posterior corrections implemented using an average error approximation. Considering this approximation as a correction valid for all the temperature range violates the AACMM calibration conditions, which are defined by a kinematic parameter identification procedure at 20 °C. This implies that, by applying these models, the AACMM will work outside of calibration conditions and will not meet the nominal accuracy values obtained from the identification procedure. In this work a new empirical correction model for thermal errors is presented. This model keeps the calibration conditions established in the parameters identification procedure unaltered. This fact makes it possible to apply other correction models for geometric and non-geometric errors obtained at the calibration temperature after having applied the temperature correction. The algorithm and objective functions used, which are based on a new approach including terms regarding measurement accuracy and repeatability and using the measurements of a ball-beam gauge artifact are shown. The empirical correction model and the arm accuracy and repeatability results before and after correction are also explained, showing an important accuracy improvement in the arm performance for typical arm operation at temperatures different from 20 °C.     

Development and kinematic calibration for measurement structure of a micro parallel mechanism platform

This paper presents a micro-positioning platform based on a unique parallel mechanism developed by the authors. The platform has a meso-scale rectangular shape whose size is 20 × 23 mm. The stroke is 5 mm for both the x-and y-axes and 100 degrees for the α-axis. The platform is actuated by three sets of dual stage linear actuators: a linear motor for rough positioning and a piezo actuator for fine positioning. The developed micro-positioning platform has a measurement system that consists of three linear sensors. The position and orientation values of the movable platform can be measured directly and used in a feedback control system. Selecting 18 kinematic error parameters of a measurement system (feedback control system), a two-stage kinematic calibration method is proposed. Constant error parameters are found in the first stage and variable error parameters are found in the second stage of kinematic calibration. After kinematic calibration the position error is reduced to within 0.5 μm and error reduction rate is over 90%.     

平面十字磁梯度张量系统的两步线性校正

磁梯度张量系统的测量精度受限于磁传感器的零漂、灵敏度差异和三轴非正交性等系统误差以及各传感器轴系间的非对准误差。构建了平面十字磁梯度张量系统的误差参数线性模型,提出了两步线性校正法。利用两个非线性变量转换构建单磁传感器系统误差的线性方程组,对误差参数进行最小二乘估计,将传感器实际输出校正为各自理想正交输出;利用旋转矩阵构建各传感器理想正交轴间非对准误差的线性方程组并求出最小二乘解,将各传感器输出校正到参考平台框架正交坐标系上。两步校正过程均无数学简化。仿真与实验表明,相比忽略二阶及以上高阶小量的常规线性校正,提出的张量系统两步线性校正法更为精确,误差参数仿真估计准确率高于93%,实测校正后总场强度均方根误差小于13 n T,张量分量均方根误差小于90 n T/m。