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.     

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。     

基于四元数EKF算法的小型无人机姿态估计

针对小型无人机设计的姿态测量系统,提出一种用于小型无人机姿态估计的四元数扩展Kalman滤波算法.该算法通过建立四元数姿态运动模型和航姿传感器测量模型,构建了以四元数和陀螺仪随机漂移为状态向量、以加速度计测量值和磁阻仪解算的航向角为观测向量的扩展Kalman滤波器,并设计了自适应测量噪声协方差矩阵修正法.实验结果表明,该算法不但解决了微机电系统惯性器件用于载体姿态测量时精度低、易发散、易被干扰的问题,而且显著减小了陀螺仪随机漂移对姿态估计的影响,有效提高了姿态估计的精度.     

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。     

移动卫星通信系统组合姿态估计算法

针对宽带移动卫星通信系统传感器直接融合姿态估计算法易受外界因素干扰、估算误差难以校正的问题,提出了一种移动卫星通信系统组合姿态估计算法。该算法以移动卫星地球站载体的位置误差、速度误差和姿态误差为系统状态量,建立了9状态的组合导航姿态估计模型;通过使用GPS航向角辅助观测解决了组合姿态估计算法航向角可观性弱、姿态角估计值易发散的问题;通过将转弯判断规则和Sage-Husa自适应控制算法进行融合,降低了GPS航向角测量误差对姿态估计的影响,提高了组合姿态估计算法的精度。实验结果表明:移动卫星通信系统组合姿态估计算法计算简单、实时性好,姿态估计精度优于传感器直接融合算法,其姿态估计误差可控制在±0.5°以内,最小均方误差值小于0.4,满足低成本宽带移动卫星通信波束对准要求。     

一种电子罗盘的电路设计

利用磁阻传感器和加速度传感器设计了测定姿态角的电子罗盘,给出了电子罗盘的硬件设计和软件流程,电路具体准确.根据其构成的主要器件,分析了影响电子罗盘测量精度的误差来源,并采用基于最小二乘法位置罗差补偿法做了校正.     

家用智能看护机器人高精度里程计估计算法

为了解决家用智能看护机器人车轮轮胎和地面作用力与电机输出力矩不平衡,易导致看护机器人产生滑动、里程计估计精度低的问题,引入牵引系数描述机器人滑动情况,推导含牵引系数的看护机器人运动学模型,以增量式光电编码器和惯性测量单元2种传感器为输入,将含牵引系数的运动学模型应用于基于扩展卡尔曼滤波算法的看护机器人里程计估计算法,搭建看护机器人实验系统完成算法验证。结果表明：在家用瓷砖地面,看护机器人分别以0.1,0.2,0.4 m/s的速度移动时,与传统里程计估计算法相比,所提出的机器人里程计估计算法的误差降低了40%左右。将含牵引系数的运动学模型应用于机器人里程计估计算法,可有效降低看护机器人的里程计估计误差,为提高看护机器人在室内地面的自主导航精度提供了一定的参考。     

基于捷联惯导的蛇形管道机器人定位算法

为解决蛇形管道探测机器人因处于地下管道,难以定位的问题,基于牛顿第二定律为蛇形管道探测机器人设计了一种高精度的捷联式惯性导航定位系统(strapdown inertial navigation system, SINS)。系统搭载九轴惯性测量器件(inertial measurement unit, IMU)对蛇形机器人的加速度及角速率信息进行测量,融合卡尔曼滤波算法对定位系统进行误差补偿,采用四元数法构造捷联式惯性导航系统姿态矩阵进行姿态更新,再积分得到速度和位移。利用MATLAB软件根据上述算法对机器人的速度、位移进行分析计算,并与机器人真实的速度位移做比较,验证算法的可靠性。实验结果表明：所提算法的定位误差最大不超过4.7%,能够为管道探测机器人提供准确地速度和位置信息,具有较高的实用价值和意义。     

基于改进自适应混合滤波算法的输电杆塔倾角测量方法

针对输电杆塔在线监测系统在使用低成本惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)测量杆塔倾角时存在测量精度低、姿态解算易发散、稳定性差的问题,提出一种基于改进自适应混合滤波算法的输电杆塔倾角测量方法。首先建立杆塔姿态解算坐标系,并结合四元数法确定了定姿方案。其次,运用改进型PI互补滤波算法对陀螺仪及加速度计进行信息融合,高低频优势互补,初步提升系统的姿态解算精度。最后将初步去噪后的信息作为Sage-Husa自适应滤波算法的初值,并引入滤波发散判据,在发散时调整误差协方差矩阵,从而对发散进行有效抑制,提高算法稳定性。实验结果表明,该算法可以有效提高测量精度,抑制解算结果的发散。     

水下攻泥器随钻姿态惯性测量方法

结合水下攻泥器钻头实际工作情况,提出了一种基于捷联惯性系统,通过扩展卡尔曼滤波算法进行钻头姿态测量的新方法. 该方法以加速度与角速度低频值作为观测量对误差进行校正,对钻头姿态进行推算. 测试结果表明,该钻头姿态测量方式是可行的,能够在不增加传感器情况下极大地提高捷联惯性系统的导航精度,使航向角的漂移从20°/h减小到3°/h.     

移动机器人的嵌入式控制系统

基于ARM处理器和MEMS器件设计了移动焊接机器人控制和导航定位系统,给出了陀螺仪、加速度计外围电路和相应AD采集模块设计方法,以及捷联式惯性导航系统位置和姿态解算方法.仿真实验结果表明,该导航定位系统能正确给出移动焊接机器人的位置、姿态信息.     

考虑融合多传感器误差项优化方法的定位技术研究

为了实现移动机器人的精确自主定位,根据不同传感器的测量原理定义了视觉误差和惯性测量单元误差项,采用基于图优化的思想构建一个最小二乘问题的位姿估计器数学模型,并把多种传感器的误差项添加到估计器中,使用优化工具求解出最优的位姿,实现多传感器的融合定位。通过在仿真实验平台上运行公共数据集,实验结果表明单传感器的定位方案因为尺度模糊和累计漂移的问题在绝对位姿误差平均值达到7.942 m,而融合多传感器的定位方案的绝对位姿误差平均值为0.234 m,说明融合多传感器的定位方案比单传感器定位方案在定位上更加准确和鲁棒。     

基于粒子滤波器的移动机器人惯导传感器故障诊断

提出一种粒子滤波器方法用于诊断移动机器人惯性导航系统传感器故障.该方法将基于规则的推理与多粒子滤波器结合,利用规则推理确定机器人运动状态,每一种运动状态用一个粒子滤波器监视.该方法有效地解决了单个粒子滤波器难以表示复杂逻辑的问题,降低了每个粒子滤波器的粒子数,从而提高了诊断效率和精度.对移动机器人在5种平面运动状态下(静止、直线运动、转动等)的8种工作模式(包括1种正常工作模式和7种故障模式)进行监视的仿真结果表明,采用所提出的方法可以有效地识别惯导系统的1个或多个硬故障.     

6自由度绳牵引并联机构的运动学参数标定

首先提出一种8根绳牵引的转动自由度解耦的6自由度并联机构,并建立其运动学模型．接着引入用 2个倾角计对6自由度绳牵引并联机构进行运动学参数标定的方法,并利用该方法对该机构的49个主要运动学参数进行辨识．最后,通过计算机仿真,对辨识结果进行验证,从而为提高该机构动平台的位姿精度莫定理论基础．这种标定方法适用于一般6自由度绳牵引并联机构的运动学参数标定,在标定时也可用相似的测量仪器来代替倾角计．同时,可在控制系统中在线嵌入其对应的标定修正模块,以便连续地补偿机构的运动学参数误差．     

基于仿生鱼群优化方法的机器人队形控制

本文利用人工鱼群优化（AFSO）方法研究了多机器人的队形控制问题。机器人编队可视为寻迹问题,而编队寻迹是不断减小机器人与其期望编队位置之间的平移和角度误差的优化过程。每一个机器人的控制指令可看做是人工鱼群,通过一系列的控制实现期望队形。队形控制策略中包含机器人间的冲突规避行为。本文利用Matlab中的多机器人仿真器MRsim工具进行了仿真,结果表明本文提出的方法具有很高的有效性和效率,适用于各种形式的队形,可以被广泛应用在没有精确系统模型的无线传感器网络中。     

基于非线性滤波的移动机器人位姿估计

研究了基于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波的移动机器人位姿估计。由于扩展卡尔曼滤波必须假定噪声服从高斯分布,若用于复杂非线性系统,其估计精度不甚理想。粒子滤波对噪声类型没有限制,正在成为非线性系统状态估计的有效近似方法。在不同噪声条件下,对基于粒子滤波和扩展卡尔曼滤波的移动机器人位姿估计问题进行了比较研究。仿真结果表明:粒子滤波能明显地改善移动机器人位姿估计的鲁棒性和精度。     

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。     

从动轮式溜冰机器人原理与直线溜冰时的动力学性能分析

综合轮式和腿式机器人的优点,提出基于溜冰原理的从动轮式溜冰机器人概念。讨论了大腿运动型和小腿运动型溜冰机器人的结构图。以小腿运动型溜冰机器人为例,运用非完整约束存在时的广义Lagrange-Routh方程推导了机器人直线溜冰时的运动微分方程,并讨论了机器人在各步态时的位姿,利用EXCE97进行了运动仿真。     

可重构混联机械手模块Tricept与TriVariant的误差建模与性能比较

对于少自由度并联构型装备，必须通过误差建模将影响末端可控和不可控误差的几何误差源进行分离，从而指导机构的精度设计和运动学标定。以5自由度混联机械手模块Tficept和TriVariant为对象，研究了一种少自由度并联构型装备的误差建模方法。该方法可有效分离出影响末端不可控误差的几何误差源，从而得到仅需控制恰约束支链的制造和装配误差，有效抑制末端的不可控姿态误差。研究结果表明，对于等同的任务空间和相同的尺度参数，两机械手具有相近的精度性能。     

主-从式手术机器人运动一致性分析

采用成熟的机器人误差理论建立了主-从手术机器人位姿误差模型,开发了基于MATLAB的位姿误差计算程序.采用蒙特卡罗法绘制了最大位姿误差图谱,对两种主手与三种从手机器人进行了仿真计算和运动一致性分析,给出了运动一致性条件,为进行主-从操作机器人精度设计提供了理论依据.