旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定

双轴旋转调制技术可以实现对陀螺漂移和加计零偏的调制,从而极大地提高惯导系统的精度,以满足船用惯导高精度的导航需求.由于单元体一直作连续正反旋转运动,传统的位置法和速率法无法对该系统进行标定.提出了一种基于三轴转台和单元体自旋转的误差标定方案,实现了对系统误差的快速精确标定.其中旋转轴和陀螺及加计敏感轴间的不正交角标定精度优于1",陀螺、加计敏感轴间的不正交角标定精度优于2".海上试验表明,误差标定结果满足了系统1 nmile/24 h的导航要求,具有较高的工程应用价值.     

微小型航姿测量系统设计及误差补偿

航姿测量系统在通用航空、无人机、智能机器人等领域有着广泛的应用。设计了一种基于MEMS(micro electronic mechanical system)陀螺、加速度计、磁场计的微小型航姿测量系统,利用磁场强度和加速度计信息作为观测量,提出了基于Kalman滤波器及专家系统的航姿估计算法,该算法可根据加速度及磁场信息调整滤波器的量测噪声矩阵,使系统同时满足静态及动态的使用要求。分析了影响航姿精度的主要误差及相应的误差补偿方法,包括器件零偏、刻度系数误差、温度漂移及磁场干扰等。将系统输出与高精度惯导系统对比,该系统在静态下的姿态测量精度优于0.2°,动态条件下优于0.6°,满足设计要求。     

联合旋转调制激光陀螺惯导性能在线评估

无外界基准信息时,针对舰艇单、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下双轴旋转惯导间性能的在线评估问题,提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能的在线评估方法。一套单轴旋转惯导分别与待评估的双轴旋转惯导构建联合误差状态卡尔曼滤波器,状态为各系统位置误差、速度误差、姿态误差的差值及各自的陀螺漂移、加速度计零偏,以系统间的位置、速度差值为观测量,通过联合旋转调制策略编排改变系统间的相对姿态,可观性分析表明,包括单轴旋转惯导方位陀螺漂移在内的所有状态均完全可观;以不同滤波器估计得到的单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,对双轴旋转惯导随机误差进行在线评估。半实物仿真和实际实验结果表明:双轴旋转惯导激光陀螺随机误差差异的区分度可达10%;144h(6天)导航时间内,以单轴旋转惯导方位陀螺漂移估计值的标准差为评价指标,可以实现不同双轴旋转惯导相对性能的在线评估。该方法为旋转调制激光陀螺航海惯导冗余配置情况下的系统优选提供了理论依据。     

混合式惯导系统自标定技术研究

混合式惯导系统是一种集平台式、捷联式、旋转式惯导系统优点于一体的新型惯导系统。该型惯导可利用自身的旋转机构和高精度、高分辨率角度传感器实现不拆机条件下的误差参数自标定功能,极大简化了标校流程和系统维护工作量,有利于武器平台和作战系统效能的发挥。针对混合式惯导系统的结构特点和典型的旋转方式进行了误差分析,给出了误差参数自标定的设计原则和方法,并用混合式惯导原理样机进行了验证,结果表明,所设计的自标定方案能够在不拆机条件下利用自身旋转机构完成对陀螺漂移、加计零偏、刻度系数误差及安装偏角等参数进行精确估计,因此具有较高的理论意义和工程应用价值。     

单轴旋转式捷联惯导方位对准研究

为消除东向陀螺常值漂移对捷联惯导方位对准精度的影响,在罗经法对准频率特性分析的基础上提出了一种适于旋转调制捷联惯导系统的罗经对准方法.该方法利用旋转过程中陀螺漂移和加速度计零偏被调制为周期变量的特点,针对旋转频率来改变罗经法对准系统的参数,使系统能够对调制后的陀螺漂移和加速度计零偏产生抑制作用,以此消除静基座对准中由东向陀螺常值漂移所引起的方位误差角.仿真实验结果表明,相比静基座对准,在单轴旋转中采用此种罗经法对准可以消除方位角的常值误差,方位对准的精度可提高至10倍以上.     

MEMS陀螺零偏温度补偿方法

MEMS陀螺零偏是惯性导航系统的主要误差源之一,而外界环境温度变化对MEMS陀螺零偏具有重要影响。针对上述情况,提出基于小波阈值去噪与RBF神经网络相结合的零偏温度补偿方法。通过设计好的实验方案采集与温度相关的MEMS陀螺输出数据,并采用不同的温度补偿方法进行零偏温度补偿。实验结果表明,与原始输出、多项式拟合及RBF神经网络相比,基于去噪RBF神经网络的零偏温度补偿方法精度更高,适应性更强,有效地提高了MEMS陀螺输出精度,进而提高惯性导航系统精度。     

单轴旋转惯导系统中陀螺漂移的精确校准

基于惯导系统的误差传播特性和轴向陀螺对经纬度误差的影响规律,提出了精确校准轴向陀螺漂移的方法以解决在单轴旋转惯导系统中单轴旋转只能自动补偿与转轴垂直的陀螺漂移,不能补偿轴向陀螺漂移的问题.首先,介绍了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理.然后,在静基座的条件下分析了轴向陀螺漂移、初始方位和姿态角误差、初始速度误差等对经纬度的影响规律.提出了一种利用经纬度误差作为观测量,采用最小二乘法对轴向陀螺漂移进行精确校准的新方法.最后,利用激光陀螺单轴旋转惯导系统进行了静态导航试验和跑车试验.实验结果显示,该方法对轴向陀螺漂移的辨识精度达到o.000 5(°)/h,系统的定位精度优于1 nm/72 h.该方法能够有效地辨识轴向陀螺漂移,使系统达到较高的导航精度,具有很强的工程实用价值.     

面向不动产实地调查的14位置系统级标定方法

针对目前标定技术存在较大误差、标定时间较长的问题,设计了一种适用于不动产实地调查系统的14位置系统级标定方法。推导了陀螺和加速度计的输出误差模型,设计了一种14位置的编排方式,有效地激励了陀螺和加速度计的各项标定误差。同时,通过分别以姿态误差和速度误差作为观测量,建立了陀螺以及加速度计的Kalman滤波方程,从而降低了Kalman滤波器维数。仿真验证,该14位置系统级标定方法能够实现对标定误差的高精度估计,提高标定精度,并缩短标定时间。     

低成本微惯性器件标定与温度补偿方法研究

针对小体积、低成本、低精度的微惯导单元MIMU,提出了一个有效的标定方法,可以有效的去除微机电传感器的各种误差。在传统的标定方法基础上,结合智能控制方法对MIMU中确定性、随机误差源进行补偿。此外,基于FPGA/DSP嵌入式处理器技术,开发了相关原理样机,完成了静态,动态标定与温度补偿试验,确定IMU总零偏漂移,非正交误差,标度因数等误差源,相关试验数据验证了所提方法的有效性。     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。     

MEMS陀螺零偏误差补偿方法研究

在高动态、恶劣温度环境下,MEMS陀螺仪零偏不仅受温度变化的影响,同时还受线、角运动等影响,其真实误差是所有因素耦合的结果。针对MEMS陀螺零偏温度和转速非线性耦合误差补偿问题,根据径向基(RBF)神经网络原理,提出了一种新的零偏误差补偿方法,并利用一种隐式结构MIMU对补偿效果进行比较,验证了采用RBF神经网络对低精度MEMS陀螺零偏误差补偿的有效性。     

捷联惯导系统误差模型与仿真分析

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响。应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型。在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图。在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150秒导航试验数据,结果表明：导航系X轴的相对系统误差小于20%,Y轴、Z轴的相对系统误差小于5%,验证了误差数学模型的正确性。此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生基本的影响。     

三浮陀螺磁悬浮干扰力矩误差建模

三浮陀螺仪是三浮平台惯导系统中的核心器件,其性能在很大程度上决定了系统所能达到的最高指标。作为三浮陀螺的关键技术,磁悬浮支承在实现浮子精确定中的同时也引入了磁悬浮干扰力矩。按照误差来源和作用机理,将磁悬浮干扰力矩的影响要素分为力和力臂两方面。对照陀螺漂移模型对无法补偿的磁悬浮干扰力矩进行了建模,并综合温度和过载对误差模型中各项误差的影响,建立了新的三浮陀螺误差模型。磁悬浮干扰力矩会产生陀螺零次项和一次项漂移,通过六位置法可以将磁悬浮干扰力矩从陀螺漂移模型中分离出来。根据磁悬浮干扰力矩和磁悬浮平均加力可以估算出干扰力矩等效的力臂,该值可用于对仪表的机加装配过程的检查和仪表的设计改进,提高仪表的使用精度。     

单目相机-IMU外参自动标定与在线估计的视觉-惯导SLAM

针对视觉-惯导信息融合同时定位与地图构建(VI-SLAM)中,单目相机-惯性测量单元(IMU)外参离线标定繁琐的问题,以及单目相机-IMU外参因传感器受到冲击或调整发生变化影响系统跟踪精度的问题,提出一种单目相机-IMU外参自动标定与在线估计的VI-SLAM算法。该算法首先利用手眼标定方法计算单目相机-IMU外参旋转矩阵并估计陀螺仪零偏;接着,在不考虑加速度计零偏的情况下估计系统的尺度、重力加速度以及单目相机-IMU外参平移向量;然后,利用已知的重力加速度大小估计加速度计零偏并更新以上已估计的初始化参数;最后,将单目相机-IMU外参放入状态向量中进行在线估计。EuRo C数据集实验表明,该VI-SLAM算法可以自动标定并在线估计单目相机-IMU外参,得到的旋转与平移外参误差分别在0. 5°和0. 02 m之内,这有利于VI-SLAM系统的快速使用以及精度的提升。     

基于MEMS的低成本捷联惯导系统实现

通过对Model121x-002加速度计、LCG50角速率陀螺的特性和参数分析,利用PC10工控机设计出一个完整的捷联惯导系统硬件平台。在硬件平台基础上设计了简单实用的系统软件,实现了完整的低成本捷联惯导系统。经校准、标定后,系统的精度和稳定性基本达到了设计目标。     

基于卡尔曼滤波技术解算惯导的水平偏差

针对测量船惯导系统水平及航向精度检测需求,提出了采用卡尔曼滤波技术解算惯导水平偏差的新方法。对经纬仪校准惯导的基本原理及陀螺的随机飘移分析,利用经纬仪测星方法,在惯导飘移误差小于7′,标定误差可在2″以内,可有效地消除惯导的随机游动误差分量,将使测量船的整体测量精度得到显著的提高。     

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响.应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型.在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图.在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150 s导航试验数据.结果表明:导航系X轴的相对系统误差＜20%,Y轴、Z轴的相对系统误差＜4%,验证了误差数学模型的正确性.此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响.     

安装误差对旋转式惯导系统影响及补偿

因轴与轴承间同轴度误差、轴系间隙、机械加工精度、安装等因素,旋转式惯导系统会产生各种形式的安装误差。对各种安装关系进行了说明,详细推导并分析了系统存在安装误差时的输出特性及误差调制效应。在理论分析的基础上,针对实际旋转式惯导系统,通过分析主要误差源,建立合适的误差补偿模型,实现对相关误差的补偿。误差补偿结果表明,该补偿方案能同时消除陀螺敏感轴与旋转轴间的不正交误差、与比力相关的漂移以及因旋转而产生的周期性波动误差,具有很高的工程应用价值。     

敏感轴安装偏角的误差分析与标定方法

针对光电辅助惯导的高精度定位定向系统而言,系统间敏感轴安装偏角的标定是惯导系统初始对准的关键。建立了敏感轴安装偏角的标定原理,将安装偏角的标定转化为对横向位置误差的标定,详细分析影响横向位置误差的主要因素,将惯导系统误差的影响与安装偏角影响分离,采用递推最小二乘算法标定出安装偏角所引起的横向位置偏差。仿真结果表明：敏感轴安装偏角的标定精度优于10″,实验验证结果优于20″（1σ）,并且算法简单、实验操作方便、耗时较少、对外在环境依赖性小,因此本系统满足高精度定位定向系统的对准要求。     

基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法研究及仿真分析

研究了惯性测量单元(IMU)机载安装方式对捷联惯导在线标定的影响.首先针对动力调谐捷联惯导系统的误差进行了建模和参数估计分析.以激励误差输出为目的,通过改变IMU在试验飞行器的安装位置,从理论算法角度分析了角度偏移和位置偏移两种安装方式对IMU输出的影响,提出基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法,并进行了标定后的补偿效果验证.仿真表明,该算法能有效标定出动态情况下的惯导误差参数,IMU安装方式对惯导的空中在线误差标定起到了很好的激励作用,在同等航迹要求下大大提高了标定精度.