双轴地磁传感器的参数标定与误差补偿

针对在双轴地磁传感器与卫星组合测量弹丸姿态的系统中双轴地磁传感器容易受外界误差因子干扰的问题,通过分析影响地磁传感器测量精度的误差因子,提出了一种参数标定和基于椭圆旋转的误差补偿算法。首先,假设双轴地磁传感器存在虚拟x轴,对传感器的误差因子进行建模,得到误差补偿模型;其次,对传感器双轴输出表达式中的参数进行标定;对双轴的测量值集合形成的椭圆进行旋转;最后,计算误差补偿模型中的6个参数。三轴无磁转台实验数据分析表明,该方法可以将双轴地磁传感器测量滚转角的误差精度控制在±2°之间,基本满足了弹丸姿态测量的要求。     

IMU 姿态误差均衡校正模型与验证

惯性姿态测量单元(IMU)中存在各种系统误差,需要进行校正以提高姿态解算精度,而校正矩阵是由本身包含各种系统误差的特殊位置测量值及其理论值决定的。对校正矩阵产生的校正误差进行理论推导,研究其对解算姿态参数误差的影响特征,并用测试数据进行验证。根据均衡校正点的设计,详细研究均衡校正及其结构拓扑对姿态精度的影响模型和特征,并对测试数据进行均衡校正验证,典型姿态解算结果及对比表明,均衡校正普遍降低了姿态的绝对误差,均衡平均校正最少可降低解算姿态绝对误差的平均值和峰峰值至30.8%,且在小倾斜角区域也达到大中倾斜角区域常规校正的姿态解算精度。     

垂直导向钻井工具安装误差的单象限校正

井下钻具姿态惯性测量单元(IMU)的安装误差降低了近垂直姿态的测量与解算精度。基于近垂直姿态下测量值与理论值之间的关系矩阵,推导其关系矩阵各项的相对误差,分析表达式各项相对误差特征,提出一种单象限校正方法。近垂直姿态下,采用单一象限内相对均匀的三组测量值得到一个校正矩阵,并对该象限内全部测量数据进行校正。姿态解算结果表明,与传统方法相比,单象限校正方法能有效提高姿态参数解算精度3.3倍以上。     

单目三点位置测量精度分析

通过理论推导,对影响三点单目视觉位置姿态测量系统的6个因素(标志器与相机的相对距离,标志器尺寸,相机量化误差,相机内参数标定误差,特征点的中心提取精度,姿态解算算法精度)以及这些因素对系统精度的影响程度进行了分析,然后通过数值仿真和成像试验验证了理论推导的正确性。实验结果表明,对测量精度影响最大的因素是测量距离,像平面方向的测量误差与靶标和相机的相对距离成正比,光轴方向的测量误差与相对距离的平方成正比;图像中提取的特征点的位置误差是测量系统误差的主要来源,位置误差包括特征点提取误差和由于镜头畸变等引起的特征点成像位置偏移;长焦距和小像元有助于减小相机的量化误差;焦距的标定误差和靶标尺寸主要影响光轴方向的距离测量精度,对其余两个方向的精度影响不大;测量系统的解算算法不是引入误差的主要因素。     

激光跟踪仪多基站转站精度模型与误差补偿

为实现大空间域激光跟踪仪的高精度测量,本文针对由转站误差导致的激光跟踪仪分时多基站测量精度难保证的问题,提出了基于多站位下单台激光跟踪仪测量误差的转站误差模型与转站参数修正的补偿方法。首先分析了激光跟踪仪测量误差的来源以及具体形式,阐述了激光跟踪仪测量误差影响空间任意点测量精度的具体形式;其次分析了激光跟踪仪的随机测量误差和系统测量误差对多基站转站参数求解精度的影响。在此基础上,建立了考虑随机、系统测量误差的激光跟踪仪多基站转站误差模型和转站参数误差补偿模型。蒙特卡洛仿真结果表明:当激光跟踪仪的长度测量误差为0.5μm/m,角度测量误差为5μm+6μm/m时,最大转站误差为0.174 7mm,补偿后最大转站误差为0.04mm,转站精度提高了77%。分时多基站转站测量实验结果表明:直接转站测量时最大转站误差为0.054 2mm,补偿后转站误差为0.033 1mm,转站精度提升了38.9%。激光跟踪转站补偿后测量精度有明显的提高。     

旋转导向钻井工具近垂直姿态校正矩阵 误差的等角距均衡校正

旋转导向钻井工具中姿态校正方法的校正点本身包含各种系统误差,会引入校正矩阵误差,是近垂直姿态下姿态角解算精度低的原因之一.平均均衡校正方法(ABC)可补偿校正矩阵误差,但整体误差并不均匀.以等分角度间距设计校正点,建立一种等角距均衡校正(EABC)模型,推导校正矩阵误差表达式,研究其引起的姿态角误差特征.对多组近垂直姿态的测试数据分别进行传统校正、平均均衡校正和等角距均衡校正,结果表明：等角距均衡校正后,井斜角误差平均值均小于0.012°,井斜角误差峰峰值均小于0.027°;工具面角误差平均值均小于0.008°,工具面角误差的峰峰值和标准差分别降低到平均均衡校正的54%～95%和40%～63%,进一步提高垂直小井斜井段的姿态解算整体精度。     

基于运动学的质量特性测量误差补偿方法的研究

针对某大尺寸飞行器质量特性测量设备,利用运动学原理对测量结果进行误差补偿,提高其测量精度。根据D-H模型建立机械结构的运动学方程,分析机械结构的几何参数误差对测量结果的影响。在标定几何参数时,对一些能够精准测量得到的参数,忽略其微变化量,在简化标定方程的同时,方便了参数误差的解算。为提高标定效率,利用粒子群(Particle swarm optimization,PSO)算法对标定位姿进行寻优,分析并建立标定姿态与观测指标函数之间的关系,确定当观测指标函数取最大值时对应最优的标定姿态。标定试验结果表明,利用最优标定位姿进行标定可以快速而准确地得到几何参数的误差,进而得到测量位姿误差。分别在补偿位姿误差和未补偿位姿误差的情况下测量标准件的质量特性,测量结果表明补偿后的质心的最大误差减小为原来的10%左右,转动惯量和惯性积的最大误差分别减小为原来的50%和20%。     

采煤机截割高度测量模型与测量误差分析

采煤机截割高度的测量及其误差分析是实现综采工作面自动化的一项重要研究内容。本文针对机身姿态传感器和摇臂摆角传感器测量方案、机身姿态传感器和调高油缸位移传感器测量方案,分别建立了采煤机截割高度测量模型。利用函数误差公式,推导了测量误差模型。以MG1000/2660-WD型采煤机为例,分析了截割高度测量误差分别随俯仰角、摇臂摆角和调高油缸位移的变化规律,得到了两种测量方案截割高度测量误差的最大值的位置。根据算例分析的结果可知,摇臂摆角传感器和调高油缸位移传感器的精度对测量误差的影响较小,机身姿态传感器的精度将决定截割高度测量误差的大小。最后,以采煤机截割高度测量误差小于5 cm为例进行分析,得出两种测量方案下各传感器的精度要求:摇臂摆角传感器精度为0.022°和机身姿态传感器的俯仰角最大动态误差小于0.16°(1 h内),调高油缸位移传感器精度为1 mm和机身姿态传感器的俯仰角最大动态误差小于0.14°(1 h内)。     

地磁测量模块系统误差补偿方法研究

系统误差是影响地磁测量模块工程化应用的关键问题,为了提高解算滚转角的精度,需要对系统误差进行补偿。对零偏误差、灵敏度误差、正交误差等主要系统误差的产生机理进行了分析,提出了相应的软件补偿方案。在转台环境下,通过实验验证了该补偿方法的有效性。     

在线测量系统测头误差补偿技术研究

通过分析在线测量系统测量过程中触发式测头测量结果的误差组成元素及其产生的原因,建立了测头标定的数学模型,并通过最小二乘法进行解算,提出通过对测头半径进行补偿来减小测量误差的新方法,该补偿方法综合考虑了实际测量过程中测头预行程误差、测头各向异性、测头偏心误差等影响因素,并利用双线性插值法建立测头半径补偿值与测点法矢方向之间的映射关系,来计算拟合任意法矢方向的半径补偿值。最后通过实验验证,对比补偿前后的测量结果,结果表明补偿后的测量系统测量精度有明显提高。     

Improving the machine accuracy through machine tool metrology and error correction

Improving both the positioning accuracy and contouring accuracy of a vertical machining centre has been studied by using a machine tool metrology and in-house error correction techniques. Contouring errors caused by the servo lag and friction of servomechanisms were measured by the circular test and then reduced by off-line parameter tuning of the CNC and servo-driver. The quasistatic thermal errors were predicted online using a neural network based model which was calibrated in advance via a quick set-up and multiple-error measurement system consisting of a spindle-mounted probe and artifacts. Positioning errors caused by both the static geometric errors and thermal effects were eliminated in real-time by a PC based software error compensation scheme integrated with the CNC controller through digital communication. An error reduction of 70% was achieved after error compensation and CNC tuning.     

电子磁罗盘测量误差校正方法研究

针对磁航向测量中存在的各种误差,分析了电子磁罗盘（EMC）系统误差的形成原因与机理,在此基础上系统地研究了在任意姿态下电子磁罗盘磁航向误差校正问题,并且具体给出了2种误差系数的求解方法以及相应的误差补偿方法。实验结果表明,在椭圆假设法中除去该方法不能补偿的安装误差后,其补偿效果与给定基准法相当,二者都能更为简单有效地实现磁航向误差的校正、误差自动补偿和自动校准,且补偿精度高、成本低。     

基于阻尼粒子群优化的地磁场测量误差补偿

针对三轴磁力仪在磁场测量过程中的磁干扰问题,提出了基于阻尼粒子群优化算法的磁测误差补偿方法。建立了磁力仪误差和载体磁干扰的一体化误差补偿模型,分别采用阻尼粒子群算法和Two-step方法对非线性观测模型进行参数估计。以质子磁力仪数据作为真值,借助无磁转台充分连续采样,实验结果显示,阻尼粒子群算法对于磁场测量误差具有良好的抑制作用。补偿后,由阻尼粒子群算法和Two-step方法得到的均方根误差分别由1 025.7降至60.304 4、581 n T。结果表明,阻尼粒子群算法取得了更好的补偿效果,补偿精度提高了至少一个数量级,为磁场测量误差提供了一种非常有效的补偿方法。     

Repetitive Measurement and Compensation to Improve Workpiece Machining Accuracy

Achieving workpiece high accuracy at low cost is one of the greatest challenges in the manufacturing industry. A repetitive error measurement and compensation scheme to improve the workpiece diameter accuracy for machining centres is des-cribed. The scheme entails an on-machine measurement and error compensation technology between machining processes. The workpiece diameters are measured along the workpiece length by using a fine touch sensor. The workpiece diameters in the compensation program are modified for implementation of next pass error correction. The technology is realised on a CNC turning centre. This method works well in hard machining and turned workpieces with large length–diameter ratios where the machining process induced errors are significantly greater than errors from other sources. It demonstrates that the work-piece can obtain maximum possible machining accuracy by this repetitive measurement and compensation technique.     

基于三分量地磁滤波技术的微型AHRS算法研究

针对常规的微型姿态参照系统(AHRS)算法存在过载干扰和滤波发散的问题,设计了一种基于三分量地磁滤波技术的微型AHRS算法。采用一种简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行了AHRS的信息融合;采用姿态误差角和陀螺漂移作为状态变量,进行了自适应滤波的时间更新,采用三分量地磁矢量作为观测量,进行了自适应滤波的量测更新;最后,对该算法进行了半物理仿真实验。实验结果表明,该算法能够有效地减小高过载造成的姿态测量误差,在2 g线振动测试条件下,该算法的俯仰角和横滚角的测量精度优于0.75°,航向角精度优于1.87°;与常规的算法相比,系统的抗过载能力提高了近3.2倍。该算法测量精度高、抗过载性好,具有很强的自适应能力,尤其适用于低铁磁干扰、高过载的工作环境。     

XGBoost机器学习在光电编码器误差补偿中的应用

光电编码器检测系统的误差主要受基准光电编码器测角误差、数据采集误差、检测系统同轴误差影响。其中，基准光电编码器的测角误差可进行补偿。因此设计了一种基于极度梯度提升树（extreme gradient boosting,XGBoost）机器学习的算法用来补偿基准光电编码器的误差。经该算法补偿后，静态精度提高了35倍，标准差由3.62″减小至0.13″，最大误差值由5.53″降低至0.39″。与传统的误差反传（back progagation,BP）神经网络算法以及径向基函数（radial basis function,RBF）神经网络算法补偿效果相比，XGBoost的补偿效果更优。XGBoost机器学习算法有效降低了基准光电编码器的测量误差，提高了光电编码器检测系统的检测精度。     

阶梯轴类零件激光在机测量误差补偿研究

轴类零件主要用来传递转矩和承受载荷,常通过数控车床加工而成其精度要求高,可用激光位移传感器对其轮廓信息进行采集,但由于机床存在位置及运动误差等,使得在机测量精度较低。因此为提高测量精度,提出面向阶梯轴类零件激光测量的实时误差补偿算法,并分别对补偿前后台阶测量点云进行模型重构,对比分析其测量误差。对比分析结果验证了补偿算法的有效性。台阶面测量表明,经几何关系修正后,其平面测量误差与三坐标测量结果差值为0.002 mm,证明测量拟合精度高。     

用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法

针对拼接干涉检测系统机械定位精度引起的各子孔径间的相对定位误差,提出了含定位误差补偿项的全局最优化拼接算法。介绍了该算法原理,从理论上分析了该算法拟合出的平移和旋转定位系数的精度。结合MetroPro和Matlab软件仿真模拟实验,分析了机械定位误差对拼接检测精度的影响。实验表明:拟合出的平移定位系数精度高于旋转定位系数精度,与理论分析一致;相对于一般算法,该算法对机械误差有较强的免疫力。在搭建的拼接检测装置上检测了口径为150mm的平面镜,结果显示:拼接结果与干涉仪直接检测的全口径相位残差的分布峰谷值(PV)为0.015 30λ,均方根值(RMS)为0.001 570λ,得到的结果十分接近,验证了该算法稳定可靠,能够合理有效地补偿机械精度引起的子孔径定位误差。     

A Study of High-Precision CNC Lathe Thermal Errors and Compensation

This study is addressed at the thermal deformation errors resulting from temperature rise that contribute to 40%–70% of the precision errors in machining at a turning centre, and proposes an economic, accurate, and quick measurement method. It also investigates the thermal error differentials between static idle turning and in the actual cutting environment. The temperature measurement units are intelligent IC temperature sensors with correction circuits. The A/D card extracts and transforms data and saves data in the computer files, and the displacement sensor measures the displacement deviation online during cutting. The temperatures and the deviation of thermal drifts so obtained are used to establish the relationship function using multivariable linear regression and nonlinear exponential regression models, respectively. Finally, this paper compares software compensation methods for the thermal-drift relationship. As proven by experiments, the software compensation method can limit the thermal error of a turning centre to within 5 μm. Moreover, the software compensation for the thermal error relationship using a single variable nonlinear exponent regression model can reduce the error by 40% to 60%.