航姿系统矢量场传感器校正的双内积法

三轴磁强计与加速度计广泛用于航姿系统中,针对其误差补偿问题,提出一种基于双内积的校正方法。该方法利用了地磁场和重力矢量自身模值守恒,以及二者在旋转轴上投影的不变性。该方法能克服基于椭球拟合的校正方法无法补偿非对准误差的缺陷,实现三轴磁强计及加速度计的完全校正。实验结果表明,该方法能有效改善航姿系统的精度且操作简便。     

航姿参考系统中磁航向传感器误差标定与补偿

对于航姿参考系统中磁航向传感器的输出精度来说,误差环境对其精确度的影响起着很大的作用.为了校正磁航向传感器的误差,提出了一种基于改进最小二乘法的椭球拟合法,对三轴磁传感器误差做快速标定补偿.首先,对磁航向传感器的误差产生机理进行有效分析,然后,针对分析结果建立误差椭球模型,推导出误差系数的解算公式,利用改进的椭球拟合方法对磁航向传感器进行标定和补偿.实验结果表明,改进的椭球拟合方法能够正确快速的标定补偿磁航向传感器的零偏误差、非正交误差、灵敏度误差,在解决当前磁传感器标定补偿计算量大、操作时间长、标定设备要求高等问题上达到了预期的效果,具有补偿效果显著,简单易行等特点.     

一种简单的低成本航姿系统标定及修正方法

在对低成本航姿系统进行加速度计与磁力计的标定中,通常磁力计的信噪比更低,仅使用椭球拟合法标定传感器误差参数结果是不够精确的;为了提高标定结果的准确性,提出了一种在多位置条件下基于椭球拟合约束和点积法的误差参数标定及修正方法;首先,在静态多位置下获取15对低噪声的测量数据并进行椭球拟合标定,其次,用补偿后的磁力计数据分布特征构建椭球约束条件,通过点积法计算地磁矢量与水平面夹角,并以其均方差来量化修正效果,对磁力计中可观性差的轴间不正交误差参数和传感器间非对准误差参数进行修正,最终提升标定效果;仿真和实测的试验结果表明,在同等椭球拟合约束下,该方法相比于独立使用椭球拟合法和点积不变法,地磁矢量与水平面夹角的均方差下降了25%以上,且具有简单易用的特点。     

基于改进Levenberg-Marquardt算法的地磁矢量校准方法

三轴磁传感器误差校准的椭球拟合方法通常要先求得椭球参数,再通过矩阵分解才能得到误差校准参数,这将导致误差校准参数存在无穷多解.为解决此问题,提出了一种基于改进的Levenberg-Marquardt(LM)算法的地磁矢量校准方法.首先使用质子磁传感器提供地磁场真值,利用改进的LM算法直接求解三轴磁传感器误差校准参数,然后利用加速度计测量恒定重力场作为辅助信息校准三轴磁传感器和加速度计坐标系之间的非对准误差.仿真结果表明,本文提出的方法可以使得三轴磁传感器测量地磁总场的均方根误差减小两个数量级,测量地磁分量的均方根误差减小一个数量级;实验结果表明该方法能够大大提高三轴磁传感器测量精度,最终获得加速度计坐标系下的高精度地磁场矢量.     

无人机捷联航姿系统误差分析与补偿

针对由三轴磁传感器、三轴微机电系统(MEMS)加速度计和三轴MEMS速率陀螺构成的无人机捷联航姿参考系统(AHRS),在详细分析3种传感器误差来源的基础上,建立了与之相适应的误差数学模型;根据传感器自身特点和九轴传感器的测量特点提出了相对应的误差补偿算法.试验结果表明:磁通门传感器的航向角最大误差由补偿前15°降低为补偿后1.6°;补偿后加速度计的俯仰角最大误差为0.25°,倾斜角最大误差0.35°;速率陀螺的静态误差补偿在3.5 min之内航向角误差为±0.3°,俯仰角补偿后误差±0.4°,倾斜角补偿后误差±0.4°;当速率小于15°/s时,动态误差控制在±1°.     

微型航姿系统中磁传感器温度漂移补偿研究

研究了微型航姿系统中地磁传感器的温度特性,根据地磁传感器噪声的频谱特性,设计了带阻数字滤波器;基于地磁传感器测量原理分析传感器输出电压随温度变化的规律,利用多项式相消的方法建立磁传感器温度漂移误差的实时补偿模型,并应用于微型航姿系统的磁航向解算。多次试验结果表明:地磁传感器零偏模型具有良好的重复性,实时温度漂移误差补偿模型可以有效地补偿地磁传感器引起的温度漂移误差;缩短了系统的预热时间,提高了系统输出的磁航向精度。     

DA-LM算法在MEMS加速度传感器误差校正中的应用研究

针对随钻测斜(Measurement-While-Drilling,MWD)技术中,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)三轴加速度计存在零点偏差、刻度因子误差、三轴非正交及与载体的未对准误差,造成姿态解算精度较低的问题,提出通过蜻蜓算法Dragonfly Algorithm(DA)及Levenberg-Marquardt(LM)联合校正误差参数的DA-LM算法.基于加速度计误差来源,建立加速度传感器线性误差模型并转化为椭球方程;由DA优化椭球参数实现全局寻优;再经推导得到新的校正目标函数并通过LM算法估计误差参数;最后利用本文所提对准策略实现加速度计与载体的对准.依据仿真实验,DA-LM算法可以精确估计加速度误差参数.通过双轴转台实验获取实验数据,校正前横滚角与俯仰角最大绝对误差分别为:0.86°和4.87°,校正过后分别降低为0.26°及0.49°.结果表明本文提出算法能正确补偿加速度计误差参数,姿态解算精度明显提高.     

基于ARM的低成本微型捷联航姿系统设计

采用三轴MEMS加速度计和角速率陀螺以及微型磁通门传感器,以ARM处理器为核心构建微型捷联航姿系统硬件平台,运用捷联惯性导航理论及状态扩增Kalman滤波算法,实现了载体航向、俯仰和倾斜角度的测量和误差控制。在三轴无磁转台进行了航姿角度测试,结果表明,该航姿系统具有较高的角度稳定性和准确度,同时体积小、成本低,具有很好的工程应用前景。     

基于磁阻传感器的航姿测量系统罗差补偿技术研究

针对磁阻航姿测量系统在实际应用中易受到周围环境中的软硬铁效应引起的罗差干扰导致其航向角精度较低的问题,本文在分析航姿测量系统罗差产生机理的基础上,建立了对应的罗差修正模型,同时在已知当地磁倾角和由捷联于测量系统中的加速度计提取的载体姿态信息的基础上,提出了采用超定线性方程组求最小二乘解的方法推导出罗差系数的标定补偿算法。最后利用设计的算法对系统进行误差补偿对比试验。结果表明,该罗差补偿算法是正确有效的,三轴软硬铁效应得到了有效的补偿并且航向角解算精度得到了显著提高。该补偿方法为后续的载体误差分析和补偿提供了理论参考,具有一定的工程应用价值。     

一种新的电子罗盘校准算法研究

针对复杂磁环境下磁强计误差补偿算法效果不理想而导致电子罗盘精度较低的问题,本文对磁强计的误差来源进行了详细分析与建模,提出了一种基于模拟退火算法(SA)的空间椭球磁强计校正方法,采用模拟退火算法,对磁强计测量数据进行空间椭球拟合,用估计的参数进行刻度系数与软磁干扰、硬磁干扰与零点偏移的整体误差补偿。最后,利用最小二乘法求解出非正交轴的方向余弦,进行非正交误差和安装误差补偿。最终利用设计的算法对某电子罗盘系统进行了航向角误差对比试验,实验结果表明该方法能准确计算出磁强计的误差参数,实测航向角精度从4.5°提高到0.4°,提高了一个数量级。该方法在电子罗盘的校准中具有了一定的工程参考价值。     

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°。     

基于MAEKF算法的航姿参考系统设计

构建了以低成本MEMS陀螺仪、加速度计和磁传感器组合的航姿参考系统,提出了一个乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法.取乘性误差四元数和陀螺仪误差作为状态量,基于重力场和磁场构造了量测矢量,用于修正航姿数据.并采用准确量测法,给滤波器加入了四元数的归一化约束,最后给出了基于新息的估计量测噪声方差矩阵的公式.通过仿真和试飞验证,表明本文设计的低成本的航姿参考系统能够提供比较准确的航姿信息.与常规的扩展卡尔曼滤波器比较,本文设计的乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法有效提高了系统的精度和稳定性,并且具有较好的鲁棒性.     

基于DSP的小型捷联航姿系统的设计与仿真

针对以捷联惯导为中制导的战术导弹,设计了一种基于数字信号处理器（DSP）的小型数字化捷联航姿应用系统,并对捷联航姿系统的算法及器件误差补偿进行了分析与仿真。首先针对捷联航姿系统提出了器件误差的简化模型,然后通过对比四阶增量法和四阶龙格库塔法解四元数微分方程,提出了以四阶增量法为基础构建快速执行算法。最后采用一组实测信号对系统进行了仿真验证。结果表明,传感器的精度对仿真结果具有明显的影响,对惯性器件的实时误差补偿是非常必要的。所选算法的计算量与存储量都不大,在实际计算中可以选用。该系统具有运算速度快、精度适当等特点,不仅可用于小型战术导弹,也可用于其它低成本的小型导航领域。     

基于DSP的航姿系统多传感器信息融合技术

设计了基于DSP的专用导航计算机,并以此为硬件平台,采集陀螺仪、加速度计、磁航向传感器和速度传感器信号,利用卡尔曼滤波技术进行多传感器信息融合,成功搭建了低成本小型航姿系统。针对该航姿系统的特点,设计了导航计算机程序快速更新软件,对卡尔曼滤波器进行低阶处理。针对导航计算机“数字信号处理器(DSP)+单片机(MCU)”的特殊结构,设计了合理的多传感器信息融合程序。实验证明:航姿系统利用多传感器信息融合技术,使用自行研制的专用导航计算机平台,姿态误差小于0.2,°航向误差小于0.5°,且大大减小了系统成本、体积和功率,具有实际应用价值。     

备份航姿系统的磁传感器在线校准方法

磁航向角是备份航姿系统的重要输出参数,为提高测量性能,需对磁传感器进行误差标定。对于机载应用的磁传感器,地面标定方法需要耗费大量的时间且操作不便,在地表标定结果的适用性随距离标定的时间和使用空间位置的变化而降低。基于备份航姿系统的实际工作特点,提出一种在备份状态下利用飞机主惯导的姿态角信息对磁传感器误差进行在线校准的方案,设计了误差校准数据存储的数据结构,提出了校准数据对航向空间覆盖的充分性评价策略,最后利用无磁转台模拟环境,验证了某备份航姿系统的磁传感器在线校准方案的可行性和有效性。     

A Cost Effective Motion Platform for Performance Testing of MEMS-Based Attitude and Heading Reference Systems

An accurate attitude and heading reference system (AHRS) is a key component to ensuring safe and reliable flight of unmanned aerial vehicles (UAVs). Recently, much attention has been given to developing AHRS using inertial sensors based on microelectromechanical sytems (MEMS). These MEMS-based AHRS are low-cost, lightweight, and consume little power. However, the advantages of inexpensive MEMS sensors are coupled with the drawback of having greater potential error in reported roll, pitch, and yaw angles due to increased sensor noise and drift. To minimize this error, advanced sensor fusion techniques such as Kalman Filtering are commonly implemented. Testing these techniques, and the AHRS as a whole, is therefore a crucial part of the performance optimization process. This paper outlines the development of an inexpensive 3-axis motion platform for AHRS calibration and testing that replicates aircraft motions from actual UAV flights, or from a flight simulator. To accomplish this, custom LabVIEW control software was developed to process time-stamped aircraft orientation data. Commands were then sent through a microcontroller to the motion platform, which reconstructs the flights with high precision (R² = .994). By using this method, AHRS testing can be performed under more realistic conditions, providing an alternative to costly field testing. This technique is especially useful for simulations of autonomous vehicle technologies such as collision avoidance, where an increased risk of damage to the UAV is present.     

自主姿态测量算法研究

航姿系统一般不实时计算速度和位置信息,无法补偿地球自转和表观运动引起的分量误差,同时陀螺漂移较大,载体长时间持续机动时,出现姿态精度不高,甚至发散的问题。提出了一种基于卡尔曼滤波的姿态融合算法,将等效陀螺漂移列入系统状态,利用卡尔曼滤波的新息对运动状态进行判别,在一定条件下,用加速度计的输出作为量测量进行卡尔曼滤波的量测更新过程。实验结果表明,所提出的姿态融合算法考虑了陀螺漂移,能提高载体长时间机动时的姿态精度。     

基于低成本MEMS器件的捷联航姿系统设计

针对军事和工程领域对低成本、微小型航姿系统的迫切需求,介绍了自行设计的基于低成本MEMS器件的航姿系统,深入研究了构建该系统的关键技术。针对MIMU的性能特点及核心处理器的运算速度,给出了磁传感器的补偿算法,采用了基于等效旋转矢量的姿态解算方法,并应用了降阶卡尔曼滤波器。通过移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统,增强了系统的实时性。实验结果表明,所设计的航姿系统实时性好,精度可达要求,具有广阔的应用前景。     

无磁转台的电子罗盘误差分离标定方法

采用3个分立的磁感式磁传感器和三轴加速度传感器制作了全数字输出电子罗盘;基于自制三轴旋转无磁转台提出了一种电子罗盘标误差分离标定方法.通过无磁转台获取磁传感器敏感轴非正交或未对准的参数和磁传感器输出特性曲线,磁传感器的灵敏度系数因子和偏置量.分别评价偏置、灵敏度系数不一致以及非正交或未对准对电子罗盘方位角精度的影响.实验结果表明:经过校准后,电子罗盘水平面内误差不超过0.22°,而俯仰角和翻滚角在60°内时,方位角最大误差约为0.4°,说明了标定方法的有效性.