手工钨极惰性气体保护焊焊枪姿态的三维传感与分析

针对焊工不能准确描述焊枪姿态调节的经验问题,根据焊枪姿态传感原理开发了基于LabVIEW软件平台的姿态角测量系统,完成了焊接过程中焊枪姿态角测量系统的研制,并采用德国CLOOS公司的弧焊机器人对所设计的姿态角测量系统进行标定与分析.结果表明,所设计的姿态角测量模块的姿态角β与γ和的均方根误差为0.019 6°,姿态角β与α和的均方根误差为0.031 7°,姿态角α与γ和的均方根误差为0.105 8°.通过采集并分析较为熟练的焊工与新手焊工在手工钨极惰性气体保护焊焊接过程中的焊枪姿态数据表明,较为熟练的焊工与新手焊工对焊枪姿态的控制主要体现在姿态角α和β的不同,两者的γ角差异较小,姿态角测量模块能够满足焊枪姿态测量的需要.     

基于MEMS惯性技术的延转姿态角测量误差补偿研究

本文介绍了基于MEMS惯性技术,载体在水平面上廻转时产生的姿态角测量原理,运用在线误差补偿技术,针对因MEMS惯性器件加速度效应误差不均衡,导致的翅转姿态角测量误差进行实时补偿。提高了姿态测量装置题转姿态角的测量精度。     

基于锁相跟踪和惯组的旋转弹滚转角估计方法

为解决微惯性测量组合测量旋转弹滚转角的问题,在对旋转弹角运动特性进行分析研究的基础上,建立微惯性测量组合测量滚转姿态的数学模型,提出基于锁相跟踪算法和微惯性测量组合的旋转弹滚转角估计方法. 该方法对基于三阶锁相环的锁相跟踪算法及其特性进行研究,根据旋转弹角运动特性和微惯性测量组合测量信号特性确定三阶锁相环环路滤波参数,并建立基于三阶锁相环和微惯性测量组合的旋转弹滚转角估计模型,即可根据模型进行锁相跟踪计算得到滚转角. 仿真结果表明,三阶锁相跟踪环路能对旋转弹滚转信号进行有效跟踪,并能够通过微惯性测量组合估计滚转角速度和滚转角,满足旋转弹滚转运动姿态提取的要求,有较大的实用价值.      

微小型惯性测量组合的标定方法研究

在捷联惯性航向姿态测量系统中,微惯性器件是核心部分,陀螺和加速度计的精度直接影响整个系统的性能.本文设计了微惯性测量单元MIMU的结构,建立了数学模型,采用翻滚法和转台法,分别标定加速度计和陀螺的零位偏差、标度因子及安装角误差.     

应用磁强计和加速度计的连杆运动角度计算

为解决多关节连杆连续变换中的运动姿态求解问题,研究通过磁感应强度和加速度测量并求解运动模型和姿态位置的方法,利用地球磁场和重力场在地理坐标系和基础坐标系之间的方向余弦转换进行绝对角度运算,得到姿态角(航向角、俯仰角和滚转角)的磁感应强度和加速度表示.分析了坐标系变换过程中的角度转换,推导出连续变换过程中连杆姿态角和连杆间夹角的关系式,并以一个实例作了验证分析.该模型能够解决姿态角和绝对运动角的转换,在连杆运动姿态表示中有较好的通用性.     

基于四元数的MARG传感器姿态测量算法

陀螺仪的漂移、载体的线性加速度和周围局部磁场的干扰是制约MARG传感器姿态测量精度的主要问题,传统的方法利用滤波算法和零速修正技术来减小姿态测量误差。该文基于已有的惯性测量单元,设计了一个基于四元数的扩展Kalman滤波器,通过建立MARG传感器模型,引入传感器偏差补偿和自适应的测量噪声协方差矩阵构造方法来提高姿态测量精度,减小载体线性加速度和周围局部磁场的干扰,实现三自由度的姿态测量。基于惯性测量单元(IMU)的实验结果表明了本文所提算法能显著提高姿态测量精度。     

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。     

带有视觉功能的同轴一体化焊枪设计及其实现

摘要： 针对目前焊接监控系统与焊枪分离引起的结构冗余与干涉,以及取像偏离熔池中心等问题,设计了一种带有视觉功能的同轴一体化焊枪,摄像机与钨极同轴,同时安装在焊枪的内部,可以同步监测焊缝的质量.设计了钨极调节系统,并将冷却和保护系统设计为一个整体,从而使钨极的调节、焊枪的冷却降温以及气体的保护效果更好,优化了焊枪的结构,提高了焊枪的可达性及可操作性.实验表明,本焊枪结构可获得以钨极为中心的熔池图像,可以清晰地定位钨极和焊丝位置,对比传统的视觉结构,该一体化焊枪机构在焊缝跟踪、过程监控等应用上有明显的优势.
     

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.     

一种提高电子罗盘航向和姿态测量精度的新方法

摘要： 针对电子罗盘在甚小口径终端（Very Small Aperture Terminal,VSAT）应用中出现的航向和姿态测量精度问题进行了研究.讨论了电子罗盘航向和姿态测量的基本原理,推导了姿态测量误差和航向测量误差的数学模型,分析了滚转角和航向角测量误差随俯仰角增大而增大的原因,提出了一种提高航向和姿态测量精度的新方法.仿真和实测结果表明：新方法能基本消除俯仰角对滚转角测量精度的影响,同时能有效提高航向角测量精度.在转台俯仰角30°情况下,采用新方法修正后的滚转角精度约为0.2°,航向角精度约为0.5°.     

不规则管管相贯曲线的轨迹规划

建立集斜交、偏移于一体的通用相贯曲线的数学模型,提出一种连续控制焊枪位置和姿态的方法.根据管管相贯模型的特点,给出一种在相贯线上示教三点确定相贯线轨迹的焊枪头位置插补算法.采用主法面二分角法确定焊枪头的姿态模型,利用Robotics Toolbox工具箱建立管管相贯线焊缝的数学模型.通过仿真验证了该轨迹规划方法能有效完成焊枪头位置和姿态的控制.该方法操作简单、计算量小,对管管相贯曲线的轨迹规划具有重要的参考价值.     

基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法

为了解决倾角仪在硬岩掘进过程中强振动环境下的失效问题,基于倾角仪输出精度高、微型机电系统(MEMS)陀螺仪抗振动强的优点,提出了多传感融合的姿态测量方法.采用Allan方差方法建立MEMS陀螺仪的随机误差模型,并用扩展卡尔曼滤波算法对陀螺仪的零漂进行有效估计和补偿,在倾角仪失效情况下采用修正过的陀螺仪数据计算掘进机的姿态角.仿真和实验表明:该算法能有效实现振动环境下姿态测量的计算,保证多传感器融合系统误差不超过0.06°.     

卡尔曼滤波在盾构姿态测量中的应用

三点法是一种传统的实时计算刚体三姿态角（滚动角、俯仰角和水平角）的方法。在盾构掘进过程中,观测点测量不同步会导致较大的姿态测量误差。采用卡尔曼滤波对观测点的坐标进行预测补偿来提高测量精度。建立系统运动的状态方程和量测方程,对系统噪声和量测噪声的协方差进行估计,通过递归运算对观测点坐标进行预测,蒙特卡洛仿真结果表明,这种...     

基于无线穿戴式传感系统的智能步态检测研究

为了实现精确的人体步态检测并实时反馈给机器人系统,设计了一种基于惯性传感器的无线传感器节点,在此基础上研发了一套无线穿戴式传感系统.基于人体下肢模型,提出一种可靠的步长和步向检测算法.使用五个自主设计的低成本惯性传感器节点固定在人体下肢和腰部,实现了相对精确的步态测量.为了进一步提高测量精度,利用回声状态网络对整个系统测量误差进行校正,校正后步长测量误差小于3.5cm,步向测量误差小于4.5°.实验结果表明该系统与方法能够实现高精度的步态检测.     

煤矿井下飞行机器人建模与仿真

针对煤矿井下飞行机器人自主导航、数学模型不完善与实验数据缺失问题,建立了煤矿井下飞行机器人运动力学模型、传感器观测状态估计模型、仿真系统。自定义煤矿井下导航坐标系,在简化后的微分平坦状态空间,建立线运动与角运动的运动力学模型;选用三维激光雷达、惯性测量单元(IMU)、相机传感器,并分别建立其观测模型,进而在特殊欧式群SE(3)空间,构建基于优化理论的传感器观测状态估计模型;搭建仿真系统并模拟煤矿井下工作面场景,对建立的运动力学模型和传感器观测状态估计模型进行仿真实验。建立的煤矿井下飞行机器人的运动力学模型与状态估计模型可行、有效,生成的仿真数据集为后续研究提供参考。     

全磁传感器弹体定姿布阵与半实物仿真

针对三轴磁传感器无法求解弹体3个姿态角这一问题,改进了磁传感器的布阵方式,设计了全磁传感器组合的旋转弹体姿态测量方案。建立了磁传感器组合的数学模型,根据2个非正交安装的磁传感器输出的极值比值,采取在偏航角范围内列表的方法来求解俯仰角,根据正交的三轴磁传感器求解偏航角。通过三轴无磁转台对测量系统进行了半实物仿真实验,并对姿态角进行了解算。实验结果表明,姿态角误差基本控制在1°,而采用十二位置不对北算法对罗差进行补偿后,可得出正确的载体偏航角。     

宽带移动卫星通信系统低成本姿态估计算法

针对低成本微机电惯性测量单元无法满足宽带移动卫星通信系统姿态估计精度的问题,提出了以单基线GPS为辅助传感器的低成本姿态估计(LCAE)算法.该算法通过互补滤波器对陀螺测量值与加速度计姿态角进行传感器融合.为了克服机动加速度干扰,借助单基线GPS的速率信息及航向信息,加入了机动加速度补偿和侧滑角补偿;为了降低算法对GPS信号的依赖,加入了开关结构.实验结果表明,LCAE算法能够有效去除加速度计测量值中的非重力信息,隔离载体运动对加速度计输出的干扰,姿态角估计精度在GPS信号完全锁定的情况下达到±0.5°以内,在GPS信号不完全锁定的情况下,姿态角估计精度优于开关卡尔曼方法,达到±1°以内,满足低成本移动卫星通信系统要求.     

舰船运动对弹道修正弹预报弹道落点的影响分析

为对基于雷达探测系统的舰炮弹道修正弹进行快速、准确的弹道解算及精度分析,通过建立舰船运动与雷达测量参数间的关系研究了舰船运动对弹道修正弹预报弹道落点的影响。建立了舰船摇摆角、航速、航向角及其升沉等因素测量误差对雷达测量弹道参数坐标转换精度影响的数学关系。结合扩展卡尔曼滤波预报弹道模型,计算分析了舰船运动中各因素测量误差对预报弹道落点的影响。计算结果显示:在同时考虑舰船摇摆角测量误差的情况下,与仅考虑雷达测量误差的计算结果相比较,雷达测量弹道参数的坐标转换误差和预报弹道落点误差增大了约1倍;在纵向和方向上,在同时考虑舰船航速、航向角及升沉测量误差的情况下,与仅考虑雷达测量误差的计算结果相比较,雷达测量弹道参数的坐标转换误差和预报弹道落点误差分别增大了约0.5和2倍。     

两轮载人自平衡车姿态测量单元设计

为提高自平衡车姿态角测量精度,利用惯性传感器MPU6050及STM32微处理器,采用参数可调的自适应显性互补滤波算法,结合陀螺仪和加速度计数据分别进行高频和低频姿态估计,设计了自平衡车姿态角测量单元。系统在线测试结果表明,该检测单元设计简单,算法易于实现,姿态角的估计精度高,为自平衡控制的实现提供了保证。     

采用倾角传感器实现空间旋转角度测量的解析方法研究

针对旋转轴与水平面非垂直的情况,提出了一种采用双轴倾角传感器实现空间旋转角度测量的算法.当传感器被随机安装在旋转平面上时,存在3个未知的空间位置参数:旋转轴和水平面之间的夹角β;传感器所在平面和旋转轴之间的夹角γ;传感器测量轴在测量平面上的偏转角α.根据倾角传感器测量轴、旋转轴和水平面的空间关系,建立了基于双轴倾角传感器的空间旋转角度测量的数学模型,推导出了空间旋转角度检测的解析表达式.采用该模型算法可实现传感器安装位置参数α和γ的测量,或旋转轴水平夹角β的测量,还可以表现旋转轴非垂直于水平面情况下空间旋转角度的测量,并能达到一定的准确度.实验结果表明,当旋转轴和水平面夹角在小于75°的情况下,采用该方法在±100°的测试范围内,检测准确度均能达到0.2°,说明该模型的重复性良好,并能达到一定精度.