旋转矢量在高动态全姿态飞行器运动方程中的应用

基于旋转矢量是表示角位置变化所对应的等效旋转而不是角位置本身这一基本思想,同时借鉴旋转矢量在捷联惯性导航算法中的应用,建立了将旋转矢量应用于高动态全姿态飞行器运动方程的数学框架。既克服了欧拉角法不适于全姿态解算的缺点,同时,相比于四元数法又提高了高动态角运动情况下姿态解算的效率。对旋转矢量法、四元数法和欧拉角法在数值解算中的不可交换误差进行了分析。据此,针对单通道具有高动态特性的轴对称飞行器,建立了基于准弹体系的旋转矢量法,提高了解算效率。基于某型滚转导弹运动方程的数字仿真表明了旋转矢量法在姿态解算中的有效性和广泛性。基于旋转矢量是表示角位置变化所对应的等效旋转而不是角位置本身这一基本思想,同时借鉴旋转矢量在捷联惯性导航算法中的应用,建立了将旋转矢量应用于高动态全姿态飞行器运动方程的数学框架。既克服了欧拉角法不适于全姿态解算的缺点,同时,相比于四元数法又提高了高动态角运动情况下姿态解算的效率。对旋转矢量法、四元数法和欧拉角法在数值解算中的不可交换误差进行了分析。据此,针对单通道具有高动态特性的轴对称飞行器,建立了基于准弹体系的旋转矢量法,提高了解算效率。基于某型滚转导弹运动方程的数字仿真表明了旋转矢量法在姿态解算中的有效性和广泛性。     

基于无陀螺捷联惯导系统的四元数算法

在捷联惯导系统中,针对以往解算姿态角精度不高、导航误差随时间积累较快、解算存在奇异、精度不高等问题,采用了一种四元数解算算法,该方法只需求解由四元数所表示的四个姿态运动微分方程。实验证明,该方法算法简单,易于操作,从一定程度上抑制了误差的积累。     

末制导炮弹姿态更新算法研究

运用一种减小捷联惯导系统姿态算法误差的运算方法,对末制导炮弹姿态更新算法进行了研究,建立了双插值姿态解算数学模型.利用末制导炮弹的一条弹道数据进行仿真研究,与常见的四子样旋转矢量法进行了比较.结果表明,由于克服了刚体转动的不可交换性误差,与四子样旋转矢量法相比,在姿态更新周期相同及不相同的情况下,该方法计算精度都相对较高.     

修正Rodrigues参数在某型导弹捷联惯性制导中的应用

介绍了修正罗德里格参数(MRP),分析比较了姿态表示参数修正罗德里格参数和四元数的算法特点.通过仿真计算,比较了分别用修正罗德里格参数和四元数作为姿态表示参数在某型导弹捷联惯性制导中的应用,采用卡尔曼滤波估计了导弹航向、姿态及相应角速率的滤波效果.结果表明,用修正罗德里格参数法的姿态解算精度比用四元数法的姿态解算精度高,且计算效率明显优于四元数算法,计算量仅相当于四元数算法的一半,这是由于四元数的规范化条件(即模值为1),在姿态确定中会导致误差协方差阵奇异,而修正罗德里格参数虽然不是全局非奇异的,但是可以通过切换方法解决奇异性问题.     

捷联系统四元数姿态解算的精细积分法

研究了基于四元数的相关理论,把精细积分方法应用于求解四元数姿态微分方程当中,并以典型圆锥运动作为输入条件对该算法进行了仿真分析。相同仿真步长条件下的仿真结果表明,该方法在高动态角运动环境下的解算精度要优于四阶龙格库塔算法,由圆锥运动引起的俯仰角算法漂移误差相对于于四阶龙格库塔方法也得到有效抑制,可以为捷联式惯性导航技术的工程实践提供参考。     

捷联惯导四元数的四阶龙格库塔姿态算法

针对捷联惯导姿态更新算法高精度、结构复杂度低的需求,为了满足常规武器工程化的需求,提出捷联惯导四元数的四阶龙格库塔姿态解算算法。根据载体初始姿态角确定姿态转换矩阵,由姿态转换矩阵确定四元数初值,用四阶龙格库塔法解四元数微分方程,更新四元数,从而根据四元数与姿态角之间对应关系解算弹体姿态角。120迫弹平台仿真结果验证了四阶龙格库塔姿态更新算法的正确性,姿态解算精度0.01°,开发实用化样机进行实际抛洒实验,结果表明,该算法切实可行,可工程化使用。     

旋转弹姿态解算方法研究

针对旋转弹姿态测试中导航误差随时间积累过快的问题,提出了由加速度计和磁强计构成组合测试系统。针对一种十二加速度计配置方案,利用拟牛顿法解决了姿态解算的问题。仿真结果表明,该算法能有效的抑制误差的积累,有助于提高导航精度。     

基于磁强计/陀螺的卡尔曼滤波定姿算法

针对基于磁强计的组合导航研究中,须事先确定滚转角这一不足,提出了一种磁强计和MEMS陀螺组合确定姿态的四元数卡尔曼滤波算法。利用陀螺测量的姿态角速率,结合磁强计输出的地磁分量测量值,运用卡尔曼滤波算法对三个姿态角同时进行最优估计,而不需要先验假设。仿真误差分析表明:姿态角解算结果具有较小的误差,且不随时间积累。     

一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法

目前无人机、机器人、人体动作捕捉等多个领域都需要全姿态测量方法支持,采用微惯性与磁传感器组合测量姿态是成本低、性能好、普遍使用的一种方案。针对磁力计易受外界铁磁干扰问题,提出一种基于旋转四元数、两级更新的姿态解算方法：第1级根据建立的陀螺仪、加速度计量测模型构建损失函数,采用梯度下降法对载体俯仰角和横滚角进行更新;第2级根据建立的磁力计量测模型,采用梯度下降法对载体偏航角进行更新。利用后验估计四元数计算铁磁干扰估计量,并将其作为下一时刻的先验铁磁干扰。实验结果表明,该算法可以有效校正角速率积分带来的累积误差,提高姿态解算精度,并具有一定抗铁磁干扰能力,增强了微惯性与磁组合测量单元姿态解算方法的环境适应性。     

地磁信息的旋转弹姿态算法研究

针对小口径高转速旋转弹姿态测量问题,提出了一种利用纯地磁组合信息获取旋转弹姿态的算法。通过参考坐标系的关系构建姿态变换矩阵,建立姿态角的数学模型,并设计相应的纯地磁姿态算法,利用仿真软件得到三轴地磁信号来进行姿态解算。结果表明,本姿态算法可以实时解算较高长时精度的姿态角,可以为常规旋转弹药制导化提供姿态信息。     

基于预测-校正-改进算法解算SINS姿态的四元数微分方程

四阶Runge-Kutta(R-K)算法解算四元数微分方程,不能保证单位四元数的"单位"性.采用预测-校正-改进线性多步算法,能够在要求的误差范围内,长时间保证其"单位"性.仿真结果表明:预测-校正-改进算法,不仅能够精确地解算四元数微分方程,而且单位四元数的"单位"精度明显比预测-改进算法高出一个数量级.     

基于预测-校正-改进算法解算SINS姿态的四元数微分方程

四阶Runge-Kutta（R-K）算法解算四元数微分方程，不能保证单位四元数的“单位”性。采用预测-校正-改进线性多步算法，能够在要求的误差范围内，长时间保证其“单位”性。仿真结果表明：预测-校正-改进算法，不仅能够精确地解算四元数微分方程，而且单位四元数的“单位”精度明显比预测-改进算法高出-个数量级。     

基于对偶四元数的圆锥及划船误差补偿改进算法

为提高高动态环境下的对偶四元数捷联惯性导航算法解算精度,将梯形数字积分算法应用于圆锥和划船误差补偿算法中,改进了姿态和速度解算算法,提高了对偶四元数捷联惯性导航算法的解算精度。在单个采样周期内,利用前一时刻采集的陀螺角速率信号和当前时刻采集的陀螺角速率信号,通过梯形积分方式计算角增量进行圆锥误差补偿;利用前一时刻采集的加速度计信号和当前时刻的加速度计信号,通过梯形积分方式计算速度增量并结合同一时刻的角增量进行划船误差补偿。通过设计的多组动态模拟仿真航迹验证表明,当角速率和比力作为圆锥和划船误差补偿算法输入时,梯形积分算法的精度高于传统的矩形积分算法,且航迹的动态性越高,改进算法的性能优势越显著。同时,通过动态跑车实验结果的分析对比,进一步验证了该改进算法的实用性。     

四元数及其在导弹控制系统中的应用

简要介绍了四元数方法及其主要性质。探讨四元数在导弹控制系统中的应用。对四元数参数计算过程中产生的比例误差、偏斜误差和交换误差进行了分析,提出用四元数的优化减小姿态计算误差的方法。     

一种改进的捷联惯导系统姿态算法

在应用旋转矢量的捷联惯导系统姿态解算中,陀螺采样频率一定的情况下,要提高圆锥误差的补偿精度,除了利用当前姿态更新周期内的陀螺输出,还应利用前面周期的陀螺输出。通过分析,提出了一种利用前M个周期输出的N子样圆锥误差补偿算法的通用形式。这种补偿算法的系数可由矩阵的简单计算获得,无需繁琐推导。最后,通过理论推导和仿真验证,该算法在不增加子样数的基础上能有效提高圆锥误差的补偿精度。     

基于自适应滤波算法的磁强计/陀螺组合误差修正

针对弹箭姿态测量中低精度陀螺姿态解算误差因漂移迅速增大的问题,文中采用三轴磁强计和陀螺组合测姿方案,对姿态角的输出进行修正。通过建立基于陀螺姿态解算误差角的状态方程和磁强计输出的误差观测方程,采用自适应卡尔曼滤波方法以抑制滤波发散并对姿态误差角进行估计。仿真结果表明:该方法能有效利用磁强计的输出抑制了陀螺漂移带来的误差,提高解算精度,满足长时间姿态测量的要求。     

基于角增量提取改进算法的旋转矢量法

旋转矢量法应用于角速率陀螺时,将角速率转化为角增量产生了较大误差,为使旋转矢量法有效地应用于角速率陀螺的姿态解算,该文提供了一种改进的三子样旋转矢量法。该方法在经典三子样角增量提取算法上,增加了前后各1／3周期的节点,使得采样值更加有效利用。在不增加区问子样数的前提下,使每个有效节点至少被使用5次,大大降低了角速率向角增量转化的误差。仿真结果表明,该算法可以有效应用于角速率陀螺。     

基于误差四元数的火箭主动滚转控制技术研究

火箭助推段主动滚转飞行时,由于箭体的持续性滚转引起耦合效应,使其动力学和控制特性变得复杂。对于采用捷联惯组方案的主动滚转火箭,四元数控制方法可以不需要或减少姿态角的三角函数解算,避免欧拉角解算出现奇异值等问题。针对捷联惯组方案的助推段主动滚转火箭,对其动力学特性和误差四元数控制技术进行了相关研究。     

基于四元数的导弹全方位姿态运动误差研究

基于四元数误差分析的方法,研究了导弹姿态扰动情况下全方位运动的误差问题.通过研究扰动对姿态角和四元数转换精度的影响,提出了姿态角和四元数的全方位转换算法.该算法采用象限分析的措施,避免了传统转换算法在姿态干扰的情况下易发生振荡的问题,将姿态角和四元数的转换范围从-90°~90°空间拓展到-180°~180°空间,使基于全角度算法的姿态控制与非全角度算法相比有抗扰动的能力.仿真结果表明了全角度算法的正确性和抗扰动的能力.     

基于四元数的大角度姿态机动反馈线化控制

采用一套基于旋转群代数的表示姿态误差的新方法,并采用非线性系统的反馈精确线化理论,用基于旋转群代数缩减四元数表征的姿态误差,以缩减四元数描述所得的系统姿态动力学方程为基础,将挠性振动部分做为零动态子系统处理,构造了能够实现精确的线性姿态误差动态特性的挠性飞行器大角度三维姿态机动非线性解耦控制律,并得到了仿真验证。