反函数模拟解算电路的非线性校正

由于饱和失真、非线性失真的原因,在传统姿态参数模拟解算时大角度范围无法解算,因此设计了校正电路。通过校正系数调节电路解决饱和失真的问题,利用离散方法对所设计的电路进行测试。实验结果表明,够明显的发现误差角度减小,输出角度曲线的非线性得到明显改善,验证了校正系数调节电路设计的可行性。     

垂直姿态的非正交测量优化与校正

垂直小角度时,采用的非正交姿态测量方法旨在解决传感器输出信号极微弱和解算精度低等问题。描述了非正交坐标系的理论模型,对其进行了优化,确定了最佳偏置角度。利用补偿矩阵对因测斜仪安装问题引入的位置误差进行校正,通过井斜角和工具面角的解算结果验证校正效果。测试结果表明,在偏置角为45°时,姿态参数具有较高的解算精度;而数据校正能大幅度降低位置误差,进一步提高测量精度。     

在计算机中实现三角函数的硬件解算方法

针对目标跟踪中大量存在的三角函数运算,提出在火控计算机中建立三角函数解算单元,采用硬件实现三角函数解算的设想。而三角函数解算单元是一种可以完成正弦函数解算功能的函数芯片。它的设计核心是以角度值为地址,通过硬件查表计算,可对0到90度的正弦函数值进行查表。查表精度可设计到0.001°,最大查表时间即为函数值的解算时间。余弦查表计算是采用正弦同一芯片,可以根据相位差90度的关系进行查表。实践表明三角函数的硬件解算速度快,精度高,可以替代通常方法的函数解算。因此,如果在火控系统中,设计一个地址译码器电路,就可建立多个三角函数芯片解算单元,通过计算机数据指令,实现对多个三角函数值的并行计算,从而提高系统对多个目标的快速跟踪处理能力。     

基于GMR传感器校正的智能轮椅控制系统设计

为解决头部姿态智能轮椅控制精度问题,设计了一种基于巨磁阻(GMR)传感器校正与融合的头部姿态控制系统.系统以STM32F103为硬件平台,采用四元素法描述姿态信息,通过三轴陀螺仪输出角度解算姿态.由于陀螺仪漂移误差随时间积累,利用梯度下降法动态计算最优收敛步长,逐次迭代修正陀螺漂移误差.实验结果表明:传感器校准过程正确有效、校正后漂移误差减小,控制系统能精准控制智能轮椅运动.     

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.     

基于北斗/iNEMO惯性模块的机器人运动姿态解算方法

基于北斗/iNEMO惯性模块研究了一种组合式机器人运动姿态测量系统和解算方法。设计了以ARM为核心的嵌入式组合姿态解算平台,通过四元数法和卡尔曼滤波技术,对iNEMO惯性组件测量数据进行融合,进而在高动态环境中实时解算出机器人的运动姿态。同时,以北斗接收机输出的1PPS上升沿脉冲作为数据融合的同步信号,并利用其输出的导航信息辅助iNEMO惯性模块实现精对准。测试结果验证了设计方案的可行性和正确性,为机器人姿态解算提供了一种高精度、高稳定性、小体积、低功耗的解决方案。     

基于自抗扰的多旋翼全姿态矢量控制方法

针对使用欧拉角进行姿态控制有奇异点问题,提出一种基于姿态矢量的新型控制方法.引入了姿态矢量表示姿态误差的方式,而非通过欧拉角表示姿态误差的方式;并且姿态矢量通过四元数表示,既避免了欧拉角表示刚体旋转的固有几何奇异性,也避免了欧拉角的三角函数解算,为单片机运算处理节约了大量时间;控制器算法设计上采用自抗扰控制(ADRC)...     

AHRS航姿解算中的两种滤波方法的比较研究

关于飞行姿态角优化问题,由于加速度计的测量值中同时包含了重力加速度和运动加速度信息,并且磁传感器易受铁磁性物质干扰,直接利用加速度计的测量值计算横滚角和俯仰角易产生较大误差,进而在利用磁传感器的测量值计算航向角时也将会引入了误差.为了减小加速度计和磁传感器的姿态解算算法所解算的姿态角误差,提出利用陀螺仪的输出,分别设计了互补滤波器和卡尔曼滤波器(Kalman Filter)对加速度计和磁传感器的输出进行处理,采用VN-100的微惯性测量单元(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)的数据进行MATLAB仿真,并对两种滤波器的滤波效果进行了比较.实验结果表明,互补滤波和Kalman滤波均能提高该算法的姿态角精度,并且互补滤波器比Kalman滤波器效率更高,性能更好.     

基于改进扩展卡尔曼滤波的姿态解算算法研究

为了解决标准扩展卡尔曼滤波器(EKF)在多旋翼无人机姿态解算中精度较低的问题,提出了一种改进扩展卡尔曼滤波算法(BPNN-EKF),使得解算精度得到较大提升。针对EKF存在预测模型参数要求具有先验已知性,在工程实践中难以获得准确的参数,以及标准EKF对非线性系统采用线性化模型带来的误差等问题,利用神经网络的非线性映射能力和自适应能力对标准EKF的估计值进行补偿,减小模型以及滤波参数误差对最优估计值的影响,从而提高最优估计精度。仿真实验证明,BPNN-EKF对多旋翼无人机姿态解算精度的提升具有显著作用。     

固定翼无人机的自抗扰反步控制

针对固定翼无人机姿态和速度控制中系统存在模型不确定性和外界扰动的情况,本文设计了基于扩张状态观测器的反步控制器抑制系统扰动以提高无人机的控制性能.首先建立无人机速度误差模型和姿态误差模型,其中姿态误差模型采用四元数作为变量以避免欧拉角在描述姿态时存在的奇点问题和复杂三角运算;进而设计扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计,并将扰动估计值与控制器设计相结合,分别设计出姿态控制器和速度控制器来抑制扰动的影响且使无人机姿态和速度收敛到期望值.最后基于李雅普诺夫理论证明系统的稳定性.仿真结果表明,本文所设计方法能够抑制系统中存在的扰动.     

一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置

模仿昆虫偏振导航机理,设计了成像式仿生偏振导航传感装置样机。研究了天空光偏振分布模型,分析了成像式仿生偏振导航传感装置工作原理。解决了一般探测装置解算偏振参数需要上位机辅助的问题,使用CMOS图像传感器和数字信号处理器,实时输出导航角度。进行了室内、室外装置性能测试,获得了3个方向偏振分量标准化强度曲线。实验结果表明:传感装置室内外角度测量误差分别为-0.8°~0.3°,-1.2°~1.4°,能够较高精度地输出导航角度,可以满足实时导航定位的需要。     

基于FPGA的全数字Costas环的设计与实现

介绍了传统模拟Costas环路存在的问题,通过对Costas环路原理的分析,利用连续时间域与离散时间域之间的变换关系,推导出Costas环路的离散模型,据此阐述了环路各模块参数的计算及电路设计。最后利用FPGA对Costas环载波恢复电路进行了实现,并给出了所实现的RTL原理图。     

A self-calibration method for error of photoelectric encoder based on gyro in rotational inertial navigation system

As a precision goniometer, photoelectric encoder plays an important role in rotational inertial navigation system (RINS). The encoder is used to measure the rotate angle of rotating mechanism for attitude calculation and feedback of motor control. However, the experiment shows that there are position-related errors in the encoder output, so calibration is necessary in high precision applications. This paper presents a calibration method designed by the characteristics of encoder errors and the structure of a tri-axis RINS. In RINS, the gyro sensitive axis can be coincided with the motor axis by gimbals rotation, and then the gyro and the photoelectric encoder measure the same angle, so the error can be calculated as the difference between the encoder output and the integral of gyro output. The error will be analyzed through Fourier method, then the error will be fitted by least squares method and a harmonic model will be established. The verification experiments demonstrate that the angle measurement error is reduced from ± 40″ to ± 2″, and the attitude output error drops 75″. The calibration method is proved to be experimentally effective.

     

四旋翼无人机姿态系统复合连续快速非奇异终端滑模控制EI北大核心CSCD

本文针对受多源干扰影响的四旋翼无人机姿态系统,基于复合连续快速非奇异终端滑模算法,研究了姿态指令变化率未知情况下的连续有限时间姿态跟踪控制问题.首先,基于四旋翼无人机姿态回路动力学模型,通过引入虚拟控制量实现姿态跟踪误差动态的三通道解耦;其次,分别针对各通道跟踪误差动态设计高阶滑模观测器,实现跟踪误差变化率和集总干扰的有限时间估计;最后,结合姿态跟踪误差变化率的估计信息,构建动态快速非奇异终端滑模面,并在控制设计中用指数幂函数代替符号函数以保证控制量连续.并且基于Lyapunov分析方法给出了姿态跟踪误差有限时间收敛的严格证明,仿真结果验证了所提方法的有效性.     

具有关节角反馈的绳驱动仿人肩关节的张力优化与控制

本文研究一种具有关节角反馈的3-DOF绳驱动仿人肩关节,采用3个垂直相交于一点的单轴机构实现肩关节的功能.针对绳驱动技术中绳的弹性和机械安装误差,在各关节上均安装编码器读取各关节位置误差.针对并联机构输出耦合的问题,设计了具有逆运动学的实时计算和误差在线补偿的线性位置插补方法.同时针对载荷变化引起的绳上张力变化剧烈和振...     

三轴磁阻电子罗盘的设计和误差补偿

设计了一款具有倾斜补偿功能的三轴磁阻电子罗盘,并对样机系统做了误差补偿。本系统以磁阻传感器HMC1043和MEMS加速度传感器ADXL203为信号采集模块,以MSP430F149单片机为信号处理模块,分别获取、处理磁场和重力加速度信息,并通过液晶显示模块LCM6432ZK显示载体的航向角和姿态角。结合经典的椭圆假设法和傅里叶级数模型,对系统的误差进行补偿。实验结果表明,设计的磁阻电子罗盘实现了集成化和智能化,能实时显示载体的航向角和姿态角,航向误差可稳定在±0.6°以内。     

基于球摆模型的离散变分积分子算法研究

在动力学系统长时间的仿真计算中,力学系统固有的结构将影响到计算精度及稳定性.离散变分积分子能够保持力学系统的能量,动量及辛结构的守恒.结合离散变分原理,通过对系统的拉格朗日函数进行离散化以及求变分和积分的过程,可以得到力学系统的离散变分积分子算法.该算法是一种递归算法,给定初始条件便可得到系统的动力学参数的时间历程.使用该原理可以构造具有完整约束的拉格朗日系统的辛-动量积分子方法.与连续算法相比,离散变分积分子算法能够直接在离散拉格朗日函数的基础上得到姿态与角速度的递推公式,而不需要复杂的迭代计算.本文研究是基于第一类拉格朗日函数的离散变分积分子算法.球摆模型是一个具有完整约束的拉格朗日系统.仿真结果表明,系统的能量值在长时间的仿真中得到保持,且计算的精度与步长的数量级呈现二次方的关系,系统角速度和姿态的仿真结果都符合球摆的运动规律.     

作战用固定翼无人机落地姿态平衡控制系统设计

为解决当前控制系统存在对无人机落地高度测量误差大,落地各姿态角度大等问题,设计了作战用固定翼无人机落地姿态平衡控制系统。选用CMOS模拟多路复用器ADG508单芯片,对系统硬件电源电路、AD转换电路、信号采集电路、时钟复位电路、存储扩展电路及调试与接口电路进行优化,通过测量无人机落地姿态,完成系统软件设计,结合硬件与软件部分,实现作战用固定翼无人机落地姿态平衡控制系统的设计。实验结果表明,改进系统对无人机落地高度测量误差小,落地俯仰角、横滚角及偏航角小,具有较好的平衡控制效果,充分满足姿态测量需求。     

基于信息融合的移动机器人侧向定位的研究

超声波传感器的入射角对输出有很大的影响,通过实验分析了入射角对输出的影响。采用引入误差补偿因子的方法,标定了传感器的测量模型,使得测量精度大大提高。在此基础上,基于多源信息融合设计了3种移动机器人侧向定位模型。经实验比较证实,引入误差补偿因子的融合模型定位精度高,可以使得距离误差控制在±2.4mm,姿态角误差控制在±0.32°以内。最后,将该融合模型应用于移动机器人的实际控制中,距离误差为±3.7mm、姿态角误差为±0.58°,满足移动机器人定位精度的要求。