基于陀螺仪的随钻姿态测量新算法

水平定向钻进中钻具姿态的实时测量是实现导向的关键因素。针对已有算法的不足和缺点,采用陀螺仪进行钻具倾角、方位角和工具面向角的测量,推导出了相应的姿态角计算公式。同时针对测量过程中存在的陀螺仪漂移误差,采用四元数全姿态互补滤波算法,利用加速度计和磁强计对陀螺仪进行补偿,给出了详细的理论分析和计算过程。实验结果表明:基于传感器组合的四元数全姿态互补滤波算法能够有效地消除陀螺仪漂移误差,获得的方位角测量精度优于±0.3°。     

基于双级互补滤波的姿态测量算法设计

陀螺仪的漂移、载体的线性加速度和磁场的干扰是影响MARG传感器姿态测量精度的主要原因。针对传统姿态测量算法在磁干扰环境下由于航向角误差导致水平角测量精度降低以及载体线性加速度影响水平角精度的问题,提出了一种基于四 元数的双级互补滤波姿态融合算法。该算法利用加速度计和磁力计测量数据分别对估计四元数进行补偿修正,避免了磁干扰环境下航向角误差对水平姿态测量的影响。同时引入线性加速度误差和磁干扰误差自适应补偿方案,以降低线性加速度与磁干扰的影响,为了验证算法的有效性,进行了静态与动态实验。实验结果表明该姿态测量算法能显著提高姿态测量精度和抗干扰能力,与传统的Mahony算法相比,俯仰/滚动角的测量精度完全不受磁干扰的影响,性能得到了明显的提升。     

基于共轭梯度法和互补滤波相结合的姿态解算算法

为了提高姿态解算精度,提出了一种基于共轭梯度和互补滤波相结合的多传感器数据融合策略。系统采用四元数方法进行姿态解算。利用加速度计和磁强计的输出数据,通过共轭梯度方法对姿态四元数进行寻优估计,再将其和利用陀螺仪输出数据更新的四元数进行互补滤波,解算出姿态角。实验测试表明,这种融合策略使姿态检测系统静态性能和和动态性能均有所提高,尤其在姿态剧烈变化时,其性能明显优于卡尔曼滤波和梯度下降法。     

基于MEMS的车辆姿态感知系统

针对MEMS传感器精度低、误差大等缺点,采用三轴加速度计、三轴磁强计和三轴陀螺仪进行组合姿态测量,使用卡尔曼滤波进行多传感器数据融合。将旋转矢量法解算出的陀螺仪的姿态四元数作为卡尔曼滤波的预测矢量,将高斯牛顿法解算出的加速度计和磁强计的姿态四元数作为卡尔曼滤波的观测矢量,建立卡尔曼传播方程,求出更高精度的姿态四元数,解算出姿态角,将 AHRS 中的姿态角与车辆的坐标系对应,实验结果表明车辆在不同状态下的姿态角度变化与车辆的运行状态一致。     

基于陀螺辅助的磁罗盘抗干扰测量方法

为了解决磁罗盘使用过程中受到的磁干扰和加速度干扰影响测量精度问题。提出了基于陀螺辅助的磁罗盘抗干扰测量方法。选取磁罗盘姿态四元数微分程和传感器误差模型共同构建系统的滤波模型,由自适应卡尔曼滤波算法实现磁罗盘姿态估计,并借助于无磁转台对测量方法进行了实验验证,结果表明该方法是可有效实现磁罗盘的抗干扰测量,且能提高磁罗盘测量精度。     

基于修正的卡尔曼滤波的姿态估计算法研究

研究惯导系统的稳定性问题,其中微惯性测量单元(MIMU)可以为捷联惯导系统提供实时的姿态和航向信息。研究姿态估计提高导航精度,由于陀螺漂移引起姿态误差,单独使用MIMU使姿态精度差。为了克服陀螺误差随时间积累不断增大,无法长时间提供稳定的姿态的缺点,提出采用磁强计修正的卡尔曼滤波四元数姿态估计算法。算法以姿态四元数为状态向量,通过四元数更新方程建立离散滤波状态方程,将加速度计和磁强计输出的六维数据转化为四元数的量测值建立量测方程,有效减少了计算量,补偿陀螺的漂移误差带来的影响。仿真结果表明改进算法提高了捷联惯导系统的精度和稳定性。     

基于MIMU和磁强计的在线实时定姿方法

针对航姿参考系统（AHRS）小型化、低成本工程实现的需要,基于微惯性测量单元（MIMU）及磁强计,提出了一种在线实时定姿方法。采用四元数法描述系统模型,采用优化的梯度下降算法对加速度计和磁强计测得的数据进行处理,并通过互补滤波器与陀螺仪测得的结果融合,提高姿态解算精度。给出了详细的算法推导。通过在线测试对算法的静态及动态性能进行了评估,并与Kalman滤波算法进行了比较。结果表明设计的定姿方法实现简单,参数调整方便,姿态跟踪误差小,运算量小,便于在嵌入式微处理器中实现在线实时定姿,具有较强的实用性。     

蛇形机器人互补滤波和四元数的姿态解算

针对蛇形机器人姿态解算问题,陀螺存在漂移特性,加速度计的测量值包含重力加速度和运动加速度,磁强计易受周围环境地磁干扰,并且蛇形机器人采用嵌入式微处理器,需要减少计算量.设计了用互补滤波器来实现惯性传感器的数据融合,用四元数进行姿态解算的方法.经过实验验证表明：采用互补滤波和四元数进行姿态解算能有效融合各个惯性传感器的数据,计算量小,能够满足蛇形机器人对精度和实时性的要求.     

基于重力四元数的陀螺漂移估计与补偿

为提高钻探中的钻具姿态测量精度,提出一种基于重力四元数的MEMS惯性随钻姿态测量方法.采用MEMS惯性器件构建钻具姿态测量系统,把加速度计数据解算的姿态四元数作为观测四元数,陀螺仪数据解算的姿态四元数作为误差四元数;然后将陀螺仪漂移融入误差四元数,建立重力四元数估计陀螺仪误差四元数的模型,采用最小二乘法估计陀螺仪三轴漂移,进而补偿陀螺仪姿态四元数;通过补偿后的姿态四元数解算出钻具姿态.最后设计了转台、振动台实验和钻进模拟实验,实验结果表明,姿态四元数补偿后的井斜角和工具面角漂移由平均10 °/h减小到约0.2 °/h,方位角误差由平均12 °/h减小到约0.46 °/h,实现了加速度计补偿陀螺的三轴漂移,表明该方法能够有效提高钻具的姿态测量精度.     

小型四旋翼无人机姿态测量仿真研究

研究无人机姿态流通量优化问题,由于低成本小型四旋翼无人机中所使用的姿态测量传感器存在精度低、噪声大的缺点,并且易受温度等环境的影响,不能准确的测量出无人机的姿态,特别是在无人机加速飞行过程中,姿态误差会很快累积扩大,不能长时间加速飞行。为提高无人机姿态测量精度,提出设计由陀螺仪、加速度计和磁强计组成的姿态测量系统,通过计算加速度计信任度,并利用卡尔曼滤波的方法实现对误差四元数的估计,从而得到无人机的姿态角度。实验结果表明,该卡尔曼滤波能够在低动态的飞行环境中准确测量出无人机姿态角度,并能克服以往无人机不能长时间加速飞行的缺点,证明卡尔曼滤波被成功应用于四旋翼无人机姿态测量优化提供了科学依据。     

基于GPS同步的新型低温超导磁力仪

针对地球物理勘探中高精度磁场测量以及远距离数据同步的需求,本文基于低温超导量子干涉仪和图形化系统开发平台构建了一种可通过GPS同步的新型磁力仪,并可采用简便的直读方式进行磁场测量.首先介绍了新型低温超导磁力仪的工作原理,并重点阐述了由其程控直读电路以及软硬件设计方案;然后在分析影响超导磁力仪数据同步因素的基础上,给出了GPS同步实现及其同步精度标定的方法;最后在良好的磁屏蔽环境中对超导磁力仪的性能以及电磁兼容进行了评估,并对影响其同步的相关因素进行了测试和标定,试验表明传感器的本底噪声约为6 fT/ Hz@1 kHz,数据同步精度可达1 ms,满足实用要求.     

地磁传感器误差参数估计与补偿方法

地磁传感器误差参数通常在事前标定校准,但校准参数在长时间的置放后,或者应用环境的发生改变时,地磁传感器校准参数将会发生变化,从而造成磁测补偿效果并不理想。为期解决上述问题,本文提出了基于滤波技术的地磁传感器误差参数估计与补偿方法。仿真结果表明该方法是可行的,最为重要的是磁传感器通过参数估计与磁测补偿后,其测量精度最少提高了一个数量级。     

Enhanced image-based coordinate measurement using a super-resolution method

This paper proposed super-resolution measurement to improve the conventional image-based coordinate measurement system. An undesirable attribute showed by the conventional system is that increasing the accuracy of the system would compromise the field of view of the system. To improve this problem, image super-resolution techniques are proposed to preprocess the observed frames. A Lagrange–Newton method is derived specifically for automatic measurement consideration. Different a priori knowledge was also examined and it was identified that identity model is the most efficient a priori knowledge among the four a priori knowledge tested. Using the Lagrange–Newton method and identity model, an experiment is carried out to evaluate the proposed super-resolution measurement. The result showed that super-resolution measurement increases the accuracy of the system without compromising the field of view. Furthermore, it is also shown that super-resolution measurement can perform measurement on dimension not achievable using the conventional method.     

基于多传感器的无创血压测量系统的研究

针对无创血压测量过程中易受手臂运动干扰影响测量准确度,设计研究了一种无创血压测量中抗运动干扰系统。该系统在常规的无创血压测量基础上,通过集成MEMS加速度传感器,实时采集血压测量过程中手臂运动的加速度信号,并将该信号作为自适应滤波器的参考信号来抵消原始信号中的运动干扰。实验结果表明该系统对测量过程中手臂局部运动的血压检测具有较好的抗运动干扰作用。该方法可用于其他已经存在的可穿戴的动态血压监测系统当中,提高其抗干扰能力,并对其他人体生理参数的穿戴式检测技术具有重要意义。     

基于补偿卡尔曼滤波的姿态估计算法实现

九轴的姿态测量单元包括加速度计、磁力计和陀螺仪,它采用微机电加工工艺,价格低廉但精度较差.为了获得更好的滤波稳定性和估计精度,基于补偿卡尔曼滤波原理,讨论了姿态估计算法的实现.具体过程如下:基于补偿卡尔曼滤波原理,讨论九轴测量信息的融合方法;利用加速度计和磁力计估算姿态初始值;使用手动转台实现静态标定,纠正零偏;使用高精度陀螺仪STIM210实现动态标定,设置滤波系数.结果表明,估计算法具有良好性能.     

基于扩展量测混合坐标下多目标跟踪算法

摘要：文献[2,3]研究表明在二维直角坐标系中,速度量测的引入不仅可以加快跟踪系统的动态收敛速度,而且可使目标位置的估计精度提高一个数量级甚至更高。针对实际多目标跟踪系统中,由雷达、声纳得到的速度量测是一个相对径向速度,不能直接应用,本文提出了基于扩展量测混合坐标中多目标跟踪算法,导出了量测方程线性化公式,推导了基于扩展量测混合坐标系中目标跟踪算法,给出了Monte Carlo仿真。结果表明：和没有利用扩展量测的EKF算法相比,本文提出的跟踪算法不但能够提高目标状态估计的稳态跟踪精度,而且能够提高系统的动态收敛速度。     

基于立体视觉的平面圆参数高精度测量算法*

针对目前平面圆的圆心和半径测量方法存在的不足,提出一种基于立体视觉的平面圆参数高精度测量方法。该方法首先根据边缘分组算法和二次曲线椭圆拟合判别算法提取双目图像中的椭圆特征;其次利用分段立体匹配算法获取平面圆特征上部分点的三维坐标;最后通过三维平面拟合、坐标转换、平面圆拟合以及坐标反变换获取平面圆的圆心和半径参数。实验结果表明,该方法有效地减小了平面圆透视投影引起的畸变误差,提高了平面圆参数的测量精度。     

LS-SVM在提高气压测高系统精度中的应用研究

在利用计算机软件补偿飞机测高系统误差方法中,传统的采用分段拟合方法精度不高,非线性误差大;神经网络存在过学习、网络拓扑结构不易确定以及泛化能力差等缺点。提出利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)对某型飞机测高系统误差进行预测、补偿,提高其测高精度。在分析LS-SVM回归算法的基础上,利用LS-SVMlab1.5对某型飞机测高系统误差样本数据进行了仿真。结果表明,LS-SVM在数据回归预测方面精度高、泛化能力强、稳定性好,可以有效提高飞机气压测高系统精度,具有应用推广价值。     

弱测量在提高量子参数估计精度中的应用

量子参数估计理论主要研究如何利用量子资源来提高经典参数的估计精度,其应用非常广泛.对于封闭的量子系统,采用纠缠的量子探针测量未知的经典参数,其估计精度可以大幅地超越经典探针所能达到的精度.然而,当退相干效应存在时,量子探针的优越性就会受到限制.本文引入弱测量的方法提高噪声环境下参数估计的精度,并证明了当退振幅噪声存在时,这一方法可以使得参数估计的精度恢复到海森堡极限,尽管实现的概率会随着探针个数的增加呈指数地减少.本文进一步考察了当辅助系统存在时,弱测量的方法对提高参数估计精度的有效性.