基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究

针对应用三轴陀螺仪和三轴加速度传感器的四旋翼飞行器姿态角测量问题,提出了基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合方法。该方法将陀螺仪输出的角速度误差作为时变误差处理,认为陀螺仪输出的角速度误差与其所测角速度及上一时刻的角速度输出误差相关,并据此建立陀螺仪测量线性方程,在此基础上,应用Kalman滤波算法,以加速度计输出的姿态角对陀螺仪测量的姿态角进行修正,从而达到姿态角准确测量的目的。实验结果表明：应用Kalman滤波算法对加速度传感器和陀螺仪信号融合后可有效消除姿态角测量累积误差并显著改善姿态角测量的动态特性。     

MEMS惯性传感器ADIS16355在姿态测量中的应用

设计了基于微电子机械系统(Microelectro mechanical system,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MEMS加速度计的高精度倾角传感器研制

为了测量煤矿井下液压支架姿态角度以实现支架姿态模型检测,设计了一款基于微电机系统(MEMS)加速度计的高精度倾角传感器。首先,对MEMS加速度计测倾角的基本原理进行研究。其次,分析传感器角度测量误差的影响因素,提高倾角传感器的测量精度:对加速度计的输出数据进行分析,分别设计传感器误差校准及坐标旋转的方法。最后,通过选用合适的传感测量元件及辅助电路,成功设计了高精度三轴倾角传感器。在试验室中对样机进行测试表明:该倾角传感器可以实现三轴方向上±90°范围的角度测量,测量精度在0.1°以内。该产品不仅可以用于煤矿井下,实现液压支架三轴姿态角度测量,满足液压支架姿态模型检测与分析的要求;还可以作为一种传感测量设备,在诸如工业自动化、智能平台等领域,实现角度测量功能。此外,误差校准及坐标旋转方法可以为其他高精度设备的设计提供良好的理论基础。     

基于红外传感原理的无人机姿态测量系统设计

由于红外温度传感器能有效感知天空间的热辐射,并且相比传统姿态测量的传感器具有体积小、重量轻、成本低等特点,设计一种基于红外传感原理的无人机姿态测量系统;该系统以新型的ARM Cortex—M3内核微处理器STM32F103ZET6作为处理单元,通过采集红外传感器的姿态信息,进行姿态解算,进而获得无人机的姿态角;同时分析了太阳干扰对实验的影响。实验测试表明:该姿态测量系统简单实用,性能稳定,精度高,能有效满足一般无人机姿态测量的要求。     

基于多姿态直接算法的磁传感器测量和校正方法研究

根据地磁导航的要求,描述了基于三轴加速度计和三轴磁强计的航向角测量原理,分析了磁强计的误差来源及其对航向角测量的影响,提出了基于多姿态直接计算法。该算法直接利用多个姿态下三轴磁强计输出的各个分量进行误差计算,并进行补偿。同时将此算法与基于最小二乘的24位置误差补偿法进行比较,通过数据仿真,结果表明两种方法均能抑制磁强计误差的影响,航向角的测量精度由2°提高至0.3°。     

矿用悬臂式掘进机截割头姿态视觉测量系统

针对目前悬臂式掘进机截割头姿态测量方法需要改变掘进机结构且测量稳定性不高的问题,采用单目视觉测量技术,设计了一种矿用悬臂式掘进机截割头姿态视觉测量系统。首先,在安装于截割臂靠近回转台处的红外标靶上采用多点状红外光源组成正方形,通过摄像机定时采集红外标靶图像;然后,通过提取光斑中心计算正方形顶点在像素坐标系中的坐标,再利用四点透视方法得到红外标靶在摄像机坐标系中的坐标;最后,利用建立的截割头姿态测量模型计算出截割头姿态角。实验结果表明,该系统测得的垂直摆角误差在±0.8°以内,水平摆角误差在±0.5°以内。     

基于AMI602传感器的载体姿态测试系统

针对捷联式载体姿态测试系统中存在的抗干扰能力差、不能很好地消除坐标误差以及姿态角测量范围的局限性等缺陷,提出了一种基于集加速度、地磁于一体的6维AMI 602动作传感器的姿态测试系统。通过AMI 602动作传感器输出6维数据结合加速度和地磁2个常量来确定载体在空间中的姿态。测试表明:该系统能解决上述缺陷,且具有精度高、功耗低、小型化等特点,可应用于GPS、手机、游戏设备等姿态测量领域。     

示教机械臂姿态解算改进方法仿真研究

在示教机械臂姿态解算精度优化的研究中,针对使用单组传感器进行数据融合,姿态解算的传统方法中存在的精度低,稳定性差的问题,设计了一种组合MEMS传感器的姿态解算方法。将六组传感器安装于载体坐标系三个轴上,分别测量两组传感器数据。以传感器量测数据与四元数估计数据的向量积代替姿态角误差作为互补滤波器的输入量,分别利用模糊控制器和PI控制器,根据互补滤波原理调节陀螺仪输出量。通过拓展卡尔曼滤波器进行姿态估计,得到更精确的四元数,进而转化为姿态角。仿真结果表明,在静态和动态情况下,多组传感器组合调节后的姿态角数据相比单组传感器PI调节在姿态角精度和系统稳定性上有进一步提高。     

柔性喷管六自由度真实摆角测量系统研制

通过对发动机柔性喷管推力矢量控制伺服系统动态特性进行了研究,研制了一种能够真实反映柔性喷管在全轴摆动状态下的动态特性的试验系统。两组角位移传感器输出轴通过十字型构件组合在一起,正交配制,线位移传感器则和十字型构件上固定的一组角位移传感器输出轴联结在一起,组成极坐标传感器,可以准确实时获得柔性喷管在全轴摆动过程中的六自由度数据。该真摆角测量系统能够用于测量固体发动机柔性喷管空间摆角、摆心变化量及推力矢量控制伺服系统性能特性,具有广阔的应用前景和良好的经济价值。     

互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用

针对四旋翼飞行器飞行过程中的姿态最优估计问题,本着准确、快速的原则,选择了基于陀螺仪、加速度计和电子罗盘的捷联式惯性测量系统.由于这些传感器存在温度漂移和噪声干扰等问题,采用互补滤波算法,通过融合IMU多传感器的数据信号,对测得的姿态数据进行补偿修正,解算出高精度的姿态角.为了验证互补滤波算法的有效性和实用性,通过实际的四旋翼飞行器角度测量系统对互补滤波算法展开研究.结果表明姿态角解算中采用互补滤波算法能够快速、稳定的输出高精度姿态数据,姿态角最大跟踪误差控制在±2°以内,满足四旋翼飞行器飞行控制的要求,成功完成了姿态的最优估计.     

基于姿态传感器的脊柱形态测量技术

基于X线测量脊柱形态的放射性、不易携带性等特点,设计出基于姿态传感器的非X线的脊柱形态测量技术.分析了姿态传感器的姿态角在人体脊柱测量过程中的转换关系,以及设计出多Cobb角的测量的实现方法.基于姿态传感器的脊柱形态测量设备是通过单片机读取姿态传感器的俯仰角和偏航角后经过算法计算出Cobb角,采用LCD显示采集到的脊柱棘突姿态信息和反映脊柱形态的Cobb角数据.通过实验验证分析基于姿态传感器测量技术的测量误差在±2°内,而且满足可重复测量要求,测量仪的可靠性大于0.8.     

航磁姿态数据收录系统设计

随着计算机的发展,航空磁法测量的磁补偿方式已从手动补偿转变为自动补偿方式,其磁补偿干扰系数的计算,也在补偿标定飞行中自动完成,磁补偿系数的准确程度是由标定飞行所完成动作(摇摆、俯仰、偏航)的准确性来决定,因而对飞机姿态角度的数据记录和显示,可以为航磁补偿质量的评价提供一种依据,还可以在测区做业的数据处理中,检查航磁探头在测区中工作角度的变化,排除航磁探头进入到死区内的干扰数据;因此在航空物探测量中对飞行姿态数据的采集是很有必要的,该软件应用C++Builder编译系统,实现了在航空磁法测量中对航磁数据、GPS数据、飞行姿态动作数据的实时采集、记录和显示,也为补偿软件的开发提供飞行姿态数据的支持。     

基于SPI接口的单摆控制系统的设计与实现

介绍一种由高精度角度传感器测量、电磁装置控制的单摆运动系统,用户可以按需求设定单摆的周期或最大摆角,控制系统通过接收和处理角度传感器的信息,自动调整单摆的运动状态,从而达到预先设定的控制要求.该系统具有有结构简单、测量方便、调整速度快,角度误差小等特点.可根据不同需要应用于各种倾角以及运动姿态测控系统中.     

基于STM32的四旋翼飞行器姿态解算的研究

分析了四旋翼飞行器的姿态解算原理,提出了一种基于 STM32的姿态测量系统。系统由 STM32F407微控制器和捷联惯性测量组件(IMU)组成。利用四元数描述姿态进行坐标换算,采用多传感器数据融合方案,通过互补滤波算法进行数据融合,获取精确的姿态角,并完成姿态解算。实验结果表明,采用互补滤波算法有效融合了捷联惯性测量组件的传感器数据,实现了四旋翼飞行器的高精度姿态解算。     

基于MEMS传感器的飞行姿态指示系统

采用MEMS传感器设计了一种飞行姿态指示系统.给出了系统的原理及整体框架,重点阐述了系统的硬件电路和软件的设计.系统以32位处理器STM32F103C作为控制核心,采用MEMS加速度计和磁传感器测量各轴向的重力加速度分量和地磁强度,进而确定飞行姿态.与传统姿态指示系统相比较,该系统体积小、功耗低.试验表明该系统具有较高的可靠性,适合无人机等体积小、机动性低的飞行器.     

姿态航向测量与误差补偿方法研究

设计了一种基于MEMS陀螺仪、加速度计、磁传感器的小型姿态航向参考系统;以四元数和角速率偏差为状态矢量,磁场强度和加速度计信息为量测矢量,构建基于Kalman的四元数姿态航向解算方法;通过调整测量噪声方差矩阵,解决动态过程中由于运动加速度造成的姿态角误差;采用陀螺仪误差建模和磁航向罗差补偿技术,进一步提高了系统测量精度。根据飞行数据分析,姿态航向参考系统具有较高测量精度和较好的稳定性、动态性,姿态角均方根误差小于1.5°,航向角均方根误差小于3°。     

膛内惯性测速系统设计

弹丸的膛内运动参数可以反映火炮工作状态特性,针对常规火炮弹丸内弹道运动测速需求,设计了基于MEMS加速度传感器和姿态传感器的膛内惯性测速系统;采用Kalman滤波和四元数姿态解算算法对传感器数据进行FPGA片上处理,实现了从弹丸挤进到出膛运动过程的时间记录,成功获取弹丸内弹道运动过程中加速度、速度和位移变化;实验结果表明,相对激光区截测速方法,该系统出膛速率测量误差小于2.93%;相对火炮身管原参数,出膛位移测量误差小于1.85%,为内弹道过程弹丸运动参数测量获取提供了技术支持,对火炮系统设计评估具有重要意义。