基于最小二乘法MEMS惯性传感器姿态解算算法

针对MEMS惯性传感器在测量时出现误差不稳定和外界磁场变化所造成的姿态角误差较大问题,提出一种基于最小二乘法MEMS惯性传感器姿态解算算法.采用静态六位置法对三轴加速度计标定,对三轴加速度计建立误差模型,利用最小二乘法确定误差参数.根据欧拉角法中倾斜角和航向角分开求解特点,减小磁场变化干扰,再对欧拉角中存在的奇异值问题进行改进,分为一般姿态值和奇异值状态姿态值两种滤波模式.实验结果证明,通过对三轴加速计的标定补偿和欧拉角的奇异值问题改进后得到的姿态角精度高,并且在遇到磁场变化时稳定性优于四元数法,不会出现奇异值.     

基于磁强计和MEMS陀螺的弹箭姿态探测系统

为解决弹道修正弹箭中捷联式姿态测量系统误差随时间不断积累的问题,设计了一种由二轴磁强计和MEMS陀螺构建的低成本弹体姿态磁-惯性测量系统,利用磁强计测量的地磁信息修正MEMS陀螺解算的姿态角误差. 在此基础上,提出了将两轴地磁信号解算滚转角融入陀螺解算的姿态优化算法,研制的原理样机在二轴转台上进行了测试. 有限的试验表明:在一定条件下,该测量系统可有效抑制陀螺漂移引起的姿态误差,能可靠地用于弹道修正弹箭的姿态测量.      

MIMU/偏振光互补滤波组合导航算法研究

针对偏振光导航中存在的输出角度模糊性和三维状态下航向角计算问题,提出利用互补滤波对MEMS惯性测量单元(MIMU)和偏振光传感器进行信息融合的姿态更新算法。该算法利用偏振光传感器测量模型构造太阳位置的估计矢量和实测矢量,通过PI(proportional-integral)补偿策略实现3轴陀螺仪偏差的最优估计和补偿。通过对比纯惯导系统INS、单偏振光导航系统、MIMU/地磁和MIMU/偏振光4种导航系统的输出姿态角,表明该算法能够有效滤除惯导系统的低频噪声和偏振光传感器测量值中的高频噪声,并且能够获取无人机360°范围内的航向角估计量,为偏振光组合导航提供了一种行之有效的解决方法。     

钨极惰性气体保护焊焊枪运动姿态的传感与验证

针对实时准确传感反映焊工焊接经验及技能的焊枪运动姿态问题,设计组建了基于有线惯性测量单元的姿态传感实验系统,以实时获得焊枪姿态的原始数据,并进行了惯性测量单元输出精度的静、动态标定实验.为获得焊枪钨极尖端的空间运动姿态数据,建立了惯性测量单元-万向节-熔池三者间的坐标转换数学模型,并通过实验对其准确性和合理性进行验证.结果表明:惯性测量单元的输出精度为0.01°,其相对自身x、y坐标轴的夹角α和β的测量误差均小于1.2°,与z轴的夹角γ的最大测量误差为1.05°,满足焊枪姿态角的测量要求;所建立的焊枪姿态角转换数学模型合理,能够获得可接受误差范围内的有效焊枪钨极尖端空间姿态角.     

基于改进灰色模型的MEMS陀螺仪零偏温度补偿

微机电系统(micro-electro mechanical system,MEMS)陀螺仪的零点漂移是影响陀螺仪测量精度的主要因素.针对MEMS陀螺仪零点漂移随温度变化的非线性问题,以MEMS惯性传感器为试验对象,采用小波变换对MEMS陀螺静态实验零偏数据进行滤波,结合改进灰色预测模型估计零偏随温度变化趋势,获得基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型.与常规补偿模型算法比较表明,基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型均方根误差和平均绝对误差更小,MEMS陀螺仪零点漂移的均方根误差和平均绝对误差分别减少到0.025 0和0.018 0,验证了该补偿模型的可行性,对提高陀螺测量精度具有较好的理论意义和工程应用价值.     

基于四元数互补滤波的无人机姿态解算

针对无人机低成本姿态解算这一基本问题,考虑到传统姿态算法运算量大、不易调试,采用微惯性单元(MEMS)测量无人机原始姿态数据,采用基于四元数的互补滤波算法,有效降低姿态解算的运算量,实现MEMS各传感器的信息融合。从理论上证明了基于四元数的互补滤波器的稳定性,分析了滤波器的性能。采用无人机真实数据验证了算法的有效性,解算得到的俯仰角、滚转角精度小于1°,航向角精度小于2°。与传统姿态算法比较,本算法简单有效、运算量小、易于调试。     

基于 MEMS 辅助的单基线北斗融合测姿算法

载体的姿态信息是导航的重要参数,随着北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system,BDS）和微机电系统（micro-electro-mechanical systems,MEMS）惯性传感器的发展与完善,高精度、低成本、自主化的融合测姿技术具有广阔的应用前景,因此,提出MEMS辅助单基线北斗融合测姿算法。根据MEMS惯性传感器解算出的姿态信息确定基线向量的搜索范围,从而辅助模糊度函数法（ambiguity function method,AFM）减小整周模糊度搜索空间,提高整周模糊度快速求解的成功率和计算效率。将BDS输出的姿态角信息作为观测信息,对MEMS陀螺仪解算出的姿态信息进行实时校正,实现BDS和MEMS传感器二者的数据融合算法。通过实测数据仿真验证,该算法能够解决信号失锁带来的整周模糊度求解困难的问题,并且测姿系统能在遮挡和动态等复杂环境下提供高质量姿态测量结果。     

水平定向钻进随钻姿态测量及误差补偿

随钻测量单元是水平定向钻进导向系统的关键组成部分,解算出正确的姿态信息是实现导向的前提。描述了利用3轴加速度计和3轴磁阻传感器测量钻具倾角、方位角和工具面向角等姿态信息的方法,并推导出相应的计算公式。针对测量过程中存在的温度和正交误差源,给出了相应的误差补偿方法;针对钻具干扰磁场和地磁倾角、地磁偏角对方位角测量引入的误差,详细分析了补偿原理,建立了补偿模型。误差实验结果表明,该补偿方法可以提高姿态测量的精度。     

激光陀螺惯导系统硬件增强角速率输入圆锥算法

根据机械抖动式激光陀螺捷联惯性系统的角速率以及角增量输出原理,提出了一类利用角速率及其硬件积分角增量输入的新圆锥误差补偿算法,即硬件增强角速率输入圆锥算法.在分析经典圆锥运动误差基础上,给出了新算法的旋转矢量通式,并推导了这类圆锥补偿基本算法及其优化算法补偿系数通式.对新算法误差主项和补偿系数的规律性分析以及进一步的仿真结果表明,硬件增强角速率输入算法具有较高的精度,是提高角速率输出捷联惯导系统姿态算法精度的一种新思路.     

基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计和补偿方法

陀螺仪的漂移误差是影响惯性导航系统的姿态测量精度的重要因素。常用的陀螺漂移估计及航向角误差修正方法需要用磁强计或GPS等外部传感器的辅助数据来实现,存在室内、磁干扰等环境下应用受限的问题。对此该文提出了惯性测量单元旋转的改进方法。该方法在测量过程中对陀螺仪施加独立于物体运动的特定旋转,通过旋转前后不同姿态下陀螺仪和加速度计输出的倾角数值,得到惯性测量单元漂移估计。实验表明,该估计算法可有效地提高航向角的测量精度。     

宽带移动卫星通信低成本组合姿态确定算法

针对现有低成本微机械惯性器件无法满足宽带移动卫星通信系统在机动状态下天线指向精度的问题,提出了微机械惯性测量单元与闭环跟踪信息相结合的姿态确定算法.该算法在航向上引入闭环跟踪的指向偏差角,经PI控制器反向校正航向陀螺的漂移误差,并利用跟踪指向信息的低频分量和陀螺的高频分量估计航向角.在横滚和俯仰上,首先以改进欧拉角作为状态向量,根据陀螺角速率信息和加速度计的重力场信息分别建立状态方程和测量方程;然后依据航向角速率和俯仰角偏差对载体运动状态进行判别,并在载体机动下调整方差矩阵以依赖陀螺进行姿态估计,克服机动加速度的扰动.实验结果表明,该算法与自适应卡尔曼滤波器相比,在载体机动状态下精度更高,其航向估计精度在±0.8°,倾角在±0.5°内,满足动中通姿态稳定精度要求.     

一种冗余配置的MEMS单轴旋转式惯导系统设计

针对载体运动削弱旋转调制效果这一问题,提出了一种在旋转轴向冗余配置一枚与载体捷联的轴向陀螺,利用其敏感信息为电机提供反旋信息,从而隔离载体轴向运动的方法。利用中低精度MEMS器件,从惯性测量系统结构入手,突破传统旋转调制系统结构限制,设计了可自由旋转的单轴旋转式微惯导系统,并且解决了数据不同步的问题,实现了MIMU的自由旋转,补偿了系统安装误差角,进行了静态与动态导航试验,结果表明,该系统可有效实现旋转调制,在减小微惯导系统测量误差的同时,为后续深入开展旋转调制研究工作提供了硬件基础,具有一定的工程应用价值。     

基于动态Allan方差的MEMS惯性测量单元的性能评价

为了对受温度等外界环境影响下的MEMS惯性测量单元进行性能评估,针对经典Allan方差法不能反映各喷性器件的时变特陛的缺陷,提出了采用动态Allan方差（DAVAR）法对MEMS陀螺仪和加速度计进行随机误差项的辨识和时变特性分析．经典Allan方差法和DAVAR法的随机误差辨识结果和仿真结果表明：在随机误差辨识方面,DAVAR法相比经典Allan方差法的辨识结果更为准确;在变温环境下,DAVAR法的仿真结果还能够反映出惯性器件输出信号受温度变化等环境影响下的时变特性,DAVAR法能够对MEMS惯性测量单元进行准确评价．     

MEMS器件捷联惯导系统旋转调制技术

使用微机电(MEMS)惯性器件利于捷联惯导系统的低成本和小型化,但MEMS器件误差较大.为提高系统精度,引入了一种全自主误差补偿方法——旋转调制.说明了旋转调制对常值误差的抑制作用和对导航精度的改善效果,并在旋转轴数目、旋转方向、旋转连续性和旋转速度等方面比较了不同旋转调制方案.根据MEMS器件的误差特性,选择了一种适合MEMS器件捷联惯导系统的旋转调制方案并自主研发了原理样机.静态和车载实验表明:旋转调制可以明显抑制MEMS器件常值误差对导航精度的影响,200s内俯仰和横滚姿态精度提高了5倍,速度和位置精度提高了近10倍.     

基于信息层的捷联惯导信号反演技术

针对惯性导航的器件价格昂贵且建模复杂,以及全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/惯性定向定位导航系统(inertial navigation system,INS)组合导航对信息传递速度较慢的问题,提出了一种基于信息层的捷联惯导信号反演技术.在整理归纳了惯性导航中常用坐标系的定义后,首先给出了根据已知的原始目标的欧拉角进行姿态矩阵的计算;然后重点讨论了如何根据已知位置、速度和姿态矩阵,反演其比力、角速度;最后叠加误差得到仿真条件下的惯导器件测量值.仿真结果表明:从一段运动轨迹中反演得到的比力和角速度,是以信息帧格式模拟输出惯导器件测量值,再应用惯导方程进行验证,得到的结果误差符合惯导系统误差允许范围.     

基于多传感器数据融合的四旋翼飞行器的姿态解算

 用于农田信息采集的四旋翼飞行器姿态解算过程中,存在姿态角测量不够准确这一难题。选择基于加速度计、电子罗盘与陀螺仪的捷联式惯性测量系统,采用卡尔曼滤波算法,通过融合多个传感器的测量数据,解算出高精度的姿态角。为验证卡尔曼滤波算法的有效性和实用性,搭建了四旋翼飞行器姿态检测实验平台。结果表明,经卡尔曼滤波算法处理之后的姿态角动态响应好,解算精度高,其最大跟踪误差控制在±1.5°以内,消除了由加速度计或电子罗盘带来的测量白噪声,也有效抑制了陀螺仪的温度漂移,满足四旋翼飞行器对姿态解算精度的要求。     

基于改进六位置法的一种 MEMS 加速度计标定补偿方案

微机电系统(micro electronic mechanical system,MEMS)加速度计在测量过程中受安装误差、刻度因子及零偏影响,为提高MEMS加速度计的测量精度,在六位置法标定的基础上,提出一种改进的MEMS加速度计标定补偿方案.利用小波滤波对MEMS加速度计的原始测量值进行滤波,运用六位置法对6个位置的原始数据进行标定得到补偿模型.通过实验验证,MEMS加速度计测量精度由标定前的1.2 m/s2提高到0.01 m/s2,由MEMS加速度计解算的横滚角和俯仰角精度由标定前的1°提高到0.166 4°.     

一种角速率激光陀螺惯导系统高精度姿态算法

在分析圆锥误差补偿通式的基础上,提出了利用角速率求取角增量的拟合算法,并给出了该算法的数学证明.详细推导了基于纯角速率输入的圆锥误差补偿算法的补偿系数和误差主项通式,并从理论上对精度进行了分析.结合激光陀螺频谱特性的仿真对比结果表明,纯角速率输入圆锥误差补偿算法优于常规的四阶龙格库塔算法,能够提高纯角速率输出的捷联惯性导航系统的姿态精度.