MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中应用研究

为了实现惯性导航控制,需获取控制对象的姿态角信息,设计了基于MEMS惯性传感器集成模块ADIS16355的姿态测量系统。该姿态测量系统采用ADIS16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。介绍了ADIS16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程,基于ARMv7架构的Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验,测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在?1?左右。     

基于自回归模型的汽车姿态角在线预测系统

针对汽车姿态角在线预测问题,利用微惯性测量单元以捷联方式测量汽车6自由度运动参数,通过四元数法解算汽车的姿态角,应用卡尔曼滤波器对姿态角进行最优估计处理,在此基础上建立自回归模型对未来1 s~3 s的姿态角进行实时预测,使用Visual Basic 2005、NI Measurement Studio开发汽车姿态角在线预测软件,并对其进行实车道路试验,结果证明该软件具有较高的预测准确性。     

基于立体视觉系统的风洞尾旋试验测量方法研究

尾旋是飞机在失速时的一种复杂而危险的非正常飞行状态;研究飞机尾旋及改出特性的常用方法是立式风洞尾旋试验,该方法具有费用低、周期短等优点;为解决试验中模型姿态的测量问题,采用两台CCD摄像机等设备构建了一套立体视觉测量系统,并通过开展空间直角坐标系转换和相关图像处理算法研究,获得飞机模型表面特征标记点的空间三维参数,实现了对尾旋模型的姿态测量;试验结果表明,该技术具有非接触,识别率高和使用灵活的特点,姿态角测量精度达到0.1°。     

捷联式磁航向测量系统的航向角误差动态特性研究

在不考虑罗差情况下,建立了捷联式磁航向测量系统的航向角误差模型,并结合无人机磁航向测量系统中框架式垂直陀螺仪的姿态测量特点,将其姿态误差源特征引入误差模型,全面分析了其航向角在不同飞行条件下的动态误差特性.对捷联式磁航向测量系统的航向角误差模型进行了仿真计算,并将仿真结果与飞行实验结果进行了比较分析.结果表明:捷联式磁航向测量系统的航向角误差动态特性符合无人机测量误差特点,能够为工程应用提供直接的理论依据.     

基于迭代学习的风洞马赫数控制方法

大飞机的研制对风洞流场马赫数精度提出了更高的要求,带有姿态角补偿的模型预测控制器有效地提高了马赫数的精度。然而,由于很难准确获取所有吹风工况的姿态角补偿模型,导致部分新工况控制效果不佳,影响了马赫数的精度。因此,提出一种基于迭代学习的获取姿态角补偿模型的方法。在已有的姿态角补偿模型基础上,根据实际的吹风试验数据,对姿态角补偿模型进行修正。经过多次吹风结果逐步提高补偿模型的精度,提升变姿态角过程中流场控制器抵抗扰动的能力,达到提高马赫数精度的目的。     

高精度角速率参数测量方法设计

针对目前武器弹药研究领域对高旋弹角速率测量范围宽、测量精度高的需求,提出了一种基于电磁感应原理的角速率参数测量方法,并设计了相应的传感器.利用现场可编程门阵列(FPGA)作为控制核心,构建角速率频率跟踪测量模型,实现对弹体角速率参数的测量,并采用周期清零的方式消除测量过程中的累积误差.仿真试验结果表明:该测量方法能够实现大动态范围1 ～ 100 rps的角速率测量,测量误差小于0.3％,满足高旋弹大转速、高精度的测量要求,在姿态测量和空间导航等领域具有一定的工程应用价值.     

基于Harris角点的内窥镜图像变形全自动校正算法

提出一种基于Harris角点检测的全自动内窥镜图像变形校正算法. 对一幅黑白棋格图像进行Harris特征点检测并将特征按所属直线进行自动归类. 引入关于全体变形参数的Harris角点子集直线度函数并对它进行Levenberg-Marquardt迭代优化来寻找最优变形参数. 获取图像时无需限定相机与标定图案的相对姿态,算法执行中无需用户交互式干预. 实验结果表明本文算法的校正结果使得内窥镜成像很好地满足线性相机模型,具有亚像素级精 度,是一种快速简单灵活的校正方法,尤其适合临床应用.     

MEMS陀螺仪参数校准方法研究

针对陀螺仪标定成本与精度之间矛盾的问题,建立了陀螺仪的误差模型,探索了一组最佳标定位置,提出了针对陀螺仪的零偏、标度因数和安装误差角等参数引起测量数据出现偏差的4位置标定方法.并将该方法应用于机载系统的姿态测量单元,估计出了陀螺的标定参数,并对标定后的陀螺仪进行试验测试.测试结果表明,标定后陀螺仪的性能满足预期试验要求,验证了该标定方法的正确性和有效性.     

非接触目标相对姿态测量方法研究

针对空间中非接触目标相对位置、姿态角测量问题,采用双目摄像机、电控角位移台和电控旋转台建立物体相对姿态测量系统。提出了一种利用双目视觉结合物体刚体运动学原理,利用Harris算子提取物体特征角点进行相对姿态角解算。将卫星模型作为实验对象,运动过程中进行了非接触目标相对姿态测量方法的验证试验,实验结果表明姿态角测量误差小于±0.56°,证明了算法的有效性。     

小型无人机飞行姿态测量系统的设计

飞行姿态是无人机飞行时最重要的参数之一,针对现有多数姿态测量系统体积大、功耗高、续航时间短,并不适合应用于小型或微型无人机上等问题,提出了一种基于DSP的小型化无人机飞行姿态测量的设计方案;完成了微固态陀螺实时数据采集,并通过四阶Runge-Kutta方法对其姿态角进行了求解;给出了姿态测量系统各模块的设计思想及基于μC/OS-Ⅱ的软件设计流程;与NAV440CA-200型IMU对比结果显示,在35秒的测试时间内滚转角相对误差为0.5°,俯仰角相对误差为0.4°;试验结果表明,该姿态测量系统具有较高的测量精度、体积小、功耗低等特点,满足设计需要。     

多气参测量的压力型基准大气数据系统研制

针对某飞行器嵌入式大气数据传感(FADS)系统的飞行试验校准问题,研制了一套压力型姿态角测量的多气参基准大气数据系统。设计了可实现高线性度、解耦的压力型姿态角测量空速管,并配套研制了大气数据计算机。解决了有限空间内多气路之间密封、同时精确取气和压力测量、飞行器机体干扰下的风洞试验标定、多参数拟合修正的气参解算等难题,获得了机体干扰下的空速管测量修正解算公式,实现了基准气参的高精度测量。在完成基准空速管的风洞试验标定和联调试验后,实现了对全系统正常工况下的飞行参数测量精度及系统稳定性考核,最终成功应用于飞行试验中。     

悬臂式掘进机巷道位姿监测系统设计

实现煤矿井下巷道的无人化自动掘进,需要实时掌握掘进机的空间姿态参数.结合巷道和掘进机本身特点,设计了一种基于图像识别的掘进机位姿监测系统.掘进机空间姿态发生变化时,双十字激光在2个激光标靶上的图像出现中心点偏移和角度偏转,对其进行数字图像处理得到精确的特征点、特征光线参数,即可求出掘进机位姿参数.基于Matlab软件GUI模块开发的监测软件具有图形用户界面,通过对标靶的图像识别,实时显示掘进机位姿参数,方便用户使用.模拟环境下的试验测试结果表明,在测量范围＜40 m时,位移误差＜5 mm.该系统测量精度高,实时性强,能够满足测量需求,实现煤矿并下掘进过程中的位姿监测.     

基于MEMS/GPS的航向姿态测量系统设计

姿态信息是飞行控制中最关键的参数之一。针对飞行控制系统首要解决的姿态测量问题。本文利用多微机电系统（MEMS）传感器与GPS组合,研制了一种微型航向姿态测量系统。考虑在以往的姿态测量系统中,动加速度的影响限制其应用,通过设计利用GPS进行辅助修正的姿态解算算法,有效规避了运动加速度对测量精度的影响,使系统可同时满足静态情况和动态情况的使用。将试验结果与商用姿态测量产品MTI-G-700的姿态结果进行了比较,各项指标均达到系统设计的性能要求,验证了航向姿测量系统设计的有效性。     

仿生鳍条姿态测量及其误差分析

仿生鳍条是仿生机器鱼的核心运动机构,为提高其运动控制精度,针对其轻巧、微小的结构特点,设计了以质量轻、体积小、精度高的MEMS陀螺仪ADXRS290和ADXRS453为核心的仿生鳍条姿态测量系统,可实现仿生鳍条偏航角、俯仰角和滚转角的实时测量;针对仿生鳍条姿态测量中随机误差较大的特点,给出了一种以Allan方差为主的姿态测量误差算法,然后通过实验采集测量数据,定量分析了各运动姿态误差项;实验结果表明,角速率随机游走和零偏不稳定性是姿态测量的主要误差项,在后续误差处理中做针对性处理能提高姿态测量精度,对提高仿生鳍条运动效率有很大的意义。     

基于SPAN系统的姿态检测方法的研究

介绍了一种新型惯性组合导航系统-SPAN,阐述了SPAN的工作原理、系统组成、对准技术及在转台上的测试方法和数据处理方法,采用静态、连续匀速运动和正弦运动不同的测试方法,通过同步采集SPAN数据和转台数据,应用MATLAB数据处理软件对系统的输出数据和转台数据进行比对和分析,结果证明,此系统的姿态精度满足所给定的精度指标,具有广泛的应用前景和推广价值。     

基于磁传感器组合的运动物体姿态解算

姿态参数的测试是运动物体测试过程中的重要指标。针对角速度陀螺仪在高速运动中姿态角的测量误差较大,提出了基于加速度和线圈式磁传感器的姿态测量组合。线圈式磁传感器的输出值包含了载体的转速和角速度信息的综合,求出载体的角速度信息,通过扩展的全姿态四元数算法进行数据融合和姿态解算。在三轴转台上进行半实物的仿真实验,验证算法的正确性,在解算过程中无须知道当地磁场大小,方法简单易行。     

视觉里程计中的相机姿态和高度实时测量方法

在视觉里程计的应用中,实时准确的获得相机姿态和高度数据有助于提高视觉定位的精度.而现有解决方案要么成本过高,要么精度无法满足要求,为此提出了基于路面激光扫描的相机外参数实时测量方法.该方法将两台二维激光扫描仪相互正交安装且向下扫描,对获得的沿着两个方向的路面扫描线使用RANSAC算法估计出直线方程,根据两直线方程求得道路平面方程,并以该平面为参考获得相机相对路面的姿态和高度数据.室内实验结果表明:静态条件下对姿态的测量误差最大约0.1°,高度测量误差最大6 mm;室外动态实验结果表明:与传统的惯性测量方法不同,相机外参数测量结果不受车辆加减速运动的影响,且其动态姿态测量精度明显高于精度为1°的惯性测量系统.由于该方法获得的姿态和高度数据是以道路平面为参考基准,尤其适用于单目视觉里程计中以辅助提高定位精度.     

姿态参数的模拟解算电路设计与分析

根据姿态传感器输出与姿态参数之间的三角函数关系,设计了一种基于函数发生器的反三角函数电路,以减小模拟反三角函数解算误差,实现对姿态参数的直接解算。利用离散和连续2种方法对所设计电路进行测试,离散测试分析中采用多点拟合对实验数据进行处理,平均角度误差减小为0.11°,最大角度误差减小为2.87°;连续测试中对输入输出信号时域和频域特征进行了分析,测得输出波形的总谐波失真为8.14%。结果表明:解算方案可行,可用于姿态参数的模拟解算。     

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。