采用自适应无迹卡尔曼滤波的卫星姿态确定

针对现有算法卫星姿态确定中模型参数估计不准确,系统存在外界干扰下稳定性差和跟踪精度不足的问题,提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法,对卫星三轴姿态进行估计。首先分析了陀螺和星敏组合定姿的工作原理,然后推导了以误差四元数为状态变量的卫星姿态运动学方程。滤波过程中,该算法引入自适应矩阵,对量测噪声协方差矩阵进行调整;依据滤波发散判别准则,对系统噪声协方差矩阵进行自适应修正,抑制滤波过程中可能的发散情形,获得了良好的自适应性能。实验结果表明,在参数估计不准确时,自适应无迹卡尔曼滤波相比鲁棒自适应UKF算法,三轴估计精度的均方根误差(RMSE)分别提升了30.0%,34.1%,22.4%。该算法基本满足卫星姿态确定的高精度、强鲁棒性等要求。     

基于自适应算法的单目视觉系统的姿态解算

提出了自适应总体最小二乘算法,以进一步提高单摄像机视觉测量系统光学特征点的姿态解算精度,研究并对比了常用的总体最小二乘算法及自适应总体最小二乘算法在测量系统中的应用。首先,根据空间几何位置关系构建光学特征点、像点及摄像机位置的系统坐标系及三维空间模型,并建立关于光学特征点及像点的矩阵方程。然后,应用常用的总体最小二乘法及自适应总体最小二乘法进行优化求解。最后,基于优化的总体最小二乘解确定光学特征点相对世界坐标系的姿态。应用三坐标测量机进行仿真对比实验,结果表明:常用的总体最小二乘算法得出的姿态坐标的标准差为0.055 7mm,自适应总体最小二乘算法得出的姿态坐标的标准差为0.041 4mm。相比之下,自适应总体最小二乘算法有更高的收敛速度及收敛精度,且解算速度优于常用总体最小二乘算法,满足单目视觉测量系统的稳定、可靠和精度高等要求。     

6自由度串并联机器人的逆运动学分析

研究了一种新型的6-DOF串并联机构,此串并联机构由一个5-DOF的并联机构串联一个转动副组成。建立了此串并联机构的运动学方程;进行位置反解,并提出一个求解算法——逐次搜索法;分析了机构的奇异位型,根据奇异性提出构型改进措施。通过构建一、二阶影响系数矩阵,对速度和加速度进行分析,基于MATLAB给出了数值仿真。     

冗余机械臂逆运动学问题的多策略贪婪蜂群求解

为了提高冗余机械臂逆运动学问题求解的位置精度和姿态精度,提出了基于多策略贪婪蜂群算法的求解方法。介绍了KUKA LBR iiwa七自由度冗余机械臂构型,推导了机械臂正运动学的齐次变换矩阵,以减小机械臂末端执行器位置误差和姿态误差为目标建立了优化模型。介绍了标准人工蜂群算法原理并分析了算法存在的缺陷,优化了能够提高蜜蜂多样性的跟随蜂选择策略,以提高跟随蜂局部搜索能力为目的给定了3种位置更新策略,将新算法命名为多策略贪婪蜂群算法。将新蜂群算法应用于逆运动学求解,经仿真验证可知,多策略贪婪蜂群算法的求解质量和求解速度均好于标准蜂群算法,且多策略贪婪蜂群算法在连续多个位姿点逆运动学求解中也具有较高精度,以上结果证明了多策略贪婪蜂群算法在机械臂逆运动学求解中的优越性。     

QUKF算法及其在SINS初始对准中的应用

针对捷联惯导系统初始对准过程中的大失准角情况,建立了乘性四元数姿态误差方程。结合UKF算法,提出了基于四元数的UKF算法(QUKF)。以姿态矩阵为对象,通过构造姿态矩阵代价函数的方法来求取四元数的一步预测均值,保证了均值四元数的规范化;利用乘性误差四元数表示四元数Sigma点与均值四元数的距离,以求取四元数的预测协方差矩阵。四元数状态更新中,采用乘性四元数更新保证了滤波过程中四元数的规范化。基于该算法的SINS在粗对准水平失准角为小角度、方位失准角为大角度条件下的仿真实验结果表明,与常规EKF相比,纵、横摇角对准精度均略有提高,而航向角误差估计精度提高显著。     

WSN中节点分布的协方差矩阵自适应优化策略

针对无线传感器网络(WSNs)中传感器节点的分布优化问题,提出了一种基于协方差矩阵自适应进化策略(CMA-ES)的网络节点分布优化方法。首先,以最大化网络的区域覆盖率为目标建立问题的求解模型,然后,采用CMA-ES算法对模型求解得到网络最优的节点位置分布方案。仿真对比实验表明:CMA-ES算法可以很好地解决无线传感器网络节点的分布优化问题,相比于传统遗传算法、基本粒子群算法和差分进化算法,表现出较快的寻优速度和更高的区域覆盖率。     

自动铺丝机器人运动学逆解的求解算法

针对自动铺丝机器人逆运动学求解问题,提出了一种基于位置矢量和姿态变换矩阵相结合的求解算法。首先采用D-H参数法建立了机器人的运动学方程并确定连杆参数,根据其3个转动关节轴线交于一点的结构特点,利用末端操作器的位置矢量和姿态变换矩阵进行了3个移动变量和3个旋转变量求解。最后,以某型号飞机的S形进气道加工为例,对铺丝机器人末端执行器的运动轨迹进行了仿真分析。研究结果表明,该求解算法有效且取得了良好的效果。     

靶准直传感器封装误差检测模型与修正方法

利用三个面阵电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)构成的靶准直传感器实现柱状腔靶高精度姿态检测时,靶准直传感器中CCD封装误差等因素的存在会给柱状靶姿态检测及定位带来不确定影响,针对此,提出了靶准直传感器的标定模型与实验方法。将直径为0.8mm的微型球靶作为检测参考目标,利用微型球靶在靶准直传感器中不同位置时CCD上成像的图像点来构建位置矩阵,利用位置矩阵,通过归一化线性优化方法求解表示CCD位姿关系的单应性矩阵,通过单应性矩阵修正因靶准直传感器封装误差给柱状靶姿态检测带来的影响。考虑到利用图像检测方法提取微型球靶中心点位置时误差的存在,在构建的位置矩阵中加入均值μ=0、方差σ=0.5的高斯噪声,模拟检测点位置误差对单应性矩阵求解的影响,分析结果显示位置误差对单应性矩阵中各个参数影响较小,从而证明了该优化方法求解单应性矩阵的鲁棒性。为验证靶准直传感器对腔靶姿态检测的准确性,实验以0.02°的步距角绕X轴旋转柱状靶,利用靶准直传感器检测柱状靶姿态变化并与实际的姿态变化进行对比分析,实验结果显示最大误差小于0.009°,证明了修正方法的可行性。     

J_2摄动和太阳光压对绳系卫星系统的影响分析

通过引入广义坐标与广义动量,在Hamilton体系下建立了空间绳系卫星系统的动力学方程;在保守体系下,分别采用经典Runge-Kutta方法和辛Runge-Kutta方法离散方程,比较了两种方法在能量保持方面的优劣,重点分析了辛算法在长时间数值仿真中的优势;最后,采用辛算法进行数值求解,研究了J2摄动和光压摄动对轨道半径、真近点角、姿态角以及绳弹性变形的影响。结果表明J2摄动和太阳光压对绳系卫星系统的影响明显。     

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.