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.     

反函数模拟解算电路的非线性校正

由于饱和失真、非线性失真的原因,在传统姿态参数模拟解算时大角度范围无法解算,因此设计了校正电路。通过校正系数调节电路解决饱和失真的问题,利用离散方法对所设计的电路进行测试。实验结果表明,够明显的发现误差角度减小,输出角度曲线的非线性得到明显改善,验证了校正系数调节电路设计的可行性。     

预置旋转正交坐标系测量精度分布解析

预置旋转正交坐标系在姿态测量时可增强原始信号幅度,较大地提高了姿态测量的总体精度.通过解算传感器三轴相对误差公式的方法,对预置旋转正交坐标系测量精度分布进行深入分析,研究了预置旋转正交坐标系姿态测量各区域的精度分布特征.图例表明,三轴相对误差在大角度井斜均存在极值点,并且三轴传感器输出相对误差随井斜和工具面角变化而变化.在小角度姿态测量时利用预置旋转的正交坐标系是比较理想的.     

基于Mahony与误差状态卡尔曼滤波融合的姿态解算方法

针对惯性测量单元(IMU)精度较低的问题以及传统姿态解算算法误差较大的缺点,提出了一种基于IMU的融合Mahony滤波与误差状态卡尔曼滤波(ESKF)的姿态解算方法。为降低因非重力加速度及磁干扰所带来的误差,根据加速度计和磁力计的置信度设计两个不同的自适应PI控制器改进Mahony算法,IMU测量数据经其解算,作为ESKF的量测值。ESKF将真实状态定义为名义状态与误差状态的组合,间接完成对系统状态的估计。因误差量为小量,所以误差状态线性化时的误差更小,雅克比矩阵的计算更简单。经实验验证,相较于传统姿态解算算法,融合算法能有效减少高频噪声、数据漂移带来的误差,提高姿态解算精度。     

磁罗盘姿态解算及误差补偿

详细介绍了磁罗盘的姿态解算原理,并分析了造成磁罗盘解算误差的主要因素,提出了基于最小二乘的36位置法,重点对其中的罗差以及制造误差中的零位误差和灵敏度误差进行了补偿修正;并用项目试验验证得出:当只进行零位误差和灵敏度误差修正时,磁罗盘的偏航角解算误差最大可达3°;而经过罗差补偿后,磁罗盘的偏航角解算误差可控制在0.5°以内;实验结果表明,经过补偿后,磁罗盘的解算精度明显提高,且成本低,使用简便,适用范围广。     

基于运动姿态识别的行人惯性导航算法

针对室内定位惯性导航算法存在累积误差的问题,提出了一种基于运动姿态识别的行人惯性导航算法.在捷联惯性导航算法的基础上,引入了行人脚部姿态识别方法,将行人的位移以单步长为单位进行惯性导航解算.使用姿态识别与零速修正相结合确定每一步的静止时刻,改进步数检测结果,并对行人静止时刻的速度和位置信息进行校正,以降低累积误差;统计前期误差较小的行人惯性导航数据,并建立步频—步长模型,根据行人实时的步频和方向变化对当前步长进行校准,在行人以惯常运动姿态或运动姿态变化时分别采取对应的步长估计算法,以保证导航算法的准确性.实验结果表明:与传统捷联惯性导航算法相比,提出的算法提高了长距离导航的精度.     

基于加速度分离算法的姿态测量方法研究

针对运动状态下探测器姿态解算精度不高的问题,提出了一种基于加速度分离算法的姿态测量方法。首先,分别利用椭球拟合法和建模法对加速度计、陀螺仪进行误差补偿,保证了MEMS传感器初始测量数据的精度。其次,提出了一种分离运动加速度的方法,以消除运动对加速度计测量数据的影响。最后,结合加速度分离算法实现了基于卡尔曼滤波器的高精度姿态解算。模拟实验结果表明,该姿态测量方法具有较高的精度和抗干扰能力,在变加速运动时姿态误差减小了70%以上,满足了设计的要求。     

基于互补滤波和粒子滤波融合的球形机器人姿态解算

针对球形机器人在运动控制中难以实时、准确地获取机器人的位置和姿态估计精度的问题,提出了一种基于互补滤波和粒子滤波相融合的姿态解算算法.为了避免使用磁力计数据参与四元数计算时俯仰角和横滚角误差较大的问题,使用陀螺仪和磁力计互补滤波算法单独对球形机器人的偏航角进行解算,同时,通过信息熵评估磁力计噪声大小,动态调整磁力计在互补滤波中的权值.实验结果表明,在外部磁场干扰实验中,偏航角误差在3?以内,在球形机器人动态和静态实验中,偏航角误差在0.3?左右,俯仰角和横滚角误差能够控制在0.1?之内.因此,该算法能够保证球形机器人姿态解算的实时性,增强准确性和和抗干扰能力,有效提高球形机器人运动控制的精度.     

基于磁阻传感器和加速计的三自由度姿态解算模块设计

本文设计了基于HMC5883L三轴磁阻传感器和ADXL345三轴加速度计以及C8051F340的三自由度姿态解算模块,它具备通过串口实时输出模块的航向角、俯仰角、横滚角度信息的功能,并且提供了磁场补偿校正功能和磁偏角手动修改、根据GPS信息自动修改功能。文中介绍了给出了硬件设计框图、姿态解算方法和程序流程图,提出了一种磁场补偿校正算法。经重复性和分布均匀性试验,其航向角精度误差不超过2°。     

基于GMR传感器校正的智能轮椅控制系统设计

为解决头部姿态智能轮椅控制精度问题,设计了一种基于巨磁阻(GMR)传感器校正与融合的头部姿态控制系统.系统以STM32F103为硬件平台,采用四元素法描述姿态信息,通过三轴陀螺仪输出角度解算姿态.由于陀螺仪漂移误差随时间积累,利用梯度下降法动态计算最优收敛步长,逐次迭代修正陀螺漂移误差.实验结果表明:传感器校准过程正确有效、校正后漂移误差减小,控制系统能精准控制智能轮椅运动.     

基于星敏感器的卫星对地定姿误差分析

风云三号气象卫星上携带的一台星敏感器解算出的卫星对地姿态呈现出非正常的幅值约为0.15°的正弦周期性偏差。为解决上述问题,分析了影响卫星对地姿态的误差因素,对星敏感器本身的主点偏差、焦距误差、光轴不垂直、CCD面旋转、星表位置误差等对卫星对地姿态误差的影响规律进行了仿真和分析。结果表明:对于CCD为512×512、象元大小为17μm、视场为16°×16°、安装方位角、高角分别为107°、29°的星敏感器而言,主点偏差5像素,会对卫星对地姿态带来最大约为0.17°的固定系统偏差;焦距误差0.1mm、光轴不垂直0.1°、CCD面旋转0.1°等对卫星对地姿态的影响较小,误差不超过30";星表中恒星位置在不加岁差、章动修正的情况下,会造成卫星对地三轴姿态误差呈正弦周期性变化,且周期与卫星轨道周期一致。风云三号气象卫星的对地姿态周期性偏差现象是由于星敏感器的星表恒星位置未进行岁差、章动等修正引起的。     

基于MRAC 方法的直线电机的位置角度校正技术

分析了直线电机的位置角度误差对直线电机的输出电流的影响;为了消除直线电机的位置角度误差,作者在基于模型参考自适应控制方法的基础上设计了一套直线电机的位置角度校正系统.由于该校正系统中的位置角度误差补偿器采用不受位置角度影响的输入量对位置角度进行校正,所以可以在现有位置角度测量的基础上实现对位置角度的准确校正,为在现有直线电机和低精度光栅尺的情况下获得尽可能高的控制精度提供了保证.仿真和实验结果显示,采用位置角度校正后,直线电机可以实现对力矩电流的精确控制,而且位置角度误差能够被校正.     

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。     

IMU/GPS/DCM组合导航系统全组合算法研究

通过分析姿态组合算法中平台误差角与姿态误差角物理意义的不同,推导并得到了二者之间的转换关系;利用联邦滤波技术,设计了弹载IMU/GPS/DCM组合导航系统,其中IMU为战术级捷联式惯导系统,GPS为普通民用级;仿真结果表明在元器件精度很低的情况下,使用文中的算法及系统设计依然可以实现高精度导航;组合导航系统的姿态误差角可控制在10角分左右,位置精度在3 m以内,具有较高的实际应用价值。     

基于捷联惯性导航的矿用单轨吊机车定位算法

针对煤矿井下单轨吊机车常用定位方法存在定位精度低和定位成本高的问题,提出了一种基于捷联惯性导航的矿用单轨吊机车定位算法。采用九轴惯性测量单元(IMU)采集机车加速度数据,并对加速度数据进行限幅滤波和去零偏等预处理,解算并输出姿态角和加速度值;采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中所含的重力分量,消除该分量对数据的干扰;利用加速度变化率阈值法和零速修正法修正稳态误差,使稳态加速度和速度更接近真实值;采用Lagrange插值多项式测距法测量单轨吊机车的行驶距离,并利用测距结果定时修正法来补偿测距误差,根据机车的起点和行驶距离实现定位。实验结果表明,当车辆行程为30.8 m时,测距误差基本在0.65 m以内,可以达到高精度、低成本的定位要求。     

Robust Tracking Control of a Quadrotor Helicopter

In this paper, a robust tracking control method for automatic take-off, trajectory tracking, and landing of a quadrotor helicopter is presented. The designed controller includes two parts: a position controller and an attitude controller. The position controller is designed by the static feedback control method to track the desired trajectory of the altitude and produce the desired angles for pitch and roll angles. By combining the proportional-derivative (PD) control method and the robust compensating technique, the attitude controller is designed to track the desired pitch and roll angles and stabilize the yaw angle. It is proven that the attitude tracking error of each channel can converge to the given neighborhood of the origin ultimately. Experimental results demonstrate the effectiveness of the designed control method.     

基于GPS的无线激光通信终端间快速指向系统设计

为减少无线激光通信的捕获对准时间,快速建立激光通信链路,将全球定位系统(GPS)技术应用于无线激光通信的初始指向.激光通信终端双方接收GPS位置信息并发送至对端,通过坐标转换矩阵对GPS位置信息解算得到方位及俯仰角;依据解算得到的角度和自身姿态信息,进一步计算出需调整的旋转误差角度;通过控制二维转台旋转实现具有一定精度的快速指向.外场实验结果表明:GPS辅助指向系统通过控制转台指向误差在4.05°范围内,可以实现无线激光通信链路的快速捕获和对准,且具有较高的精度,验证了系统的有效性与实用性.     

一种基于像素值偏移编解码技术的屏摄隐通道研究

屏摄隐通道通过摄像机拍摄显示器进行隐蔽通信。现有屏摄隐通道技术对摄像机的拍摄角度有严格要求。针对这种情况,文章提出了一种基于像素值偏移编解码技术的屏摄隐通道方法。该方法对显示图像的像素值进行偏移,把二维码(QR码)嵌入显示帧。利用人眼对于对比度、亮度相近的图像分辨能力差的特点,秘密地将显示帧发送给摄像机。在解码时提取加入的偏移量,并且使用透视还原方法,抵消不同拍摄角度的失真,还原出QR码。通过实验验证了文章方法的可行性,实验表明,该方法适合于存在拍摄角度时的图像提取和还原,各角度平均模块误码率在3%以下。     

基于卡尔曼滤波的航姿参考系统设计

针对传统的航姿参考系统AHRS（Attitude and Heading Reference System）中姿态角精度不高的问题,设计了一种新型的基于卡尔曼滤波的姿态检测系统。该系统采用了三轴磁传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计,用四元数的方法来描述载体运动的姿态,通过陀螺仪测姿态四元数,卡尔曼滤波算法融合加速度计和磁传感器数据,对姿态四元数进行修正,从而提高姿态解算精度。实验数据表明,系统能够较好修正陀螺仪漂移,且三个角度的均方根误差均优于0.25°,具有良好的噪声抑制能力。     

基于光栅投影序列图像融合的倾斜校正算法

针对现有校正算法因抖动等因素存在的校正误差问题,提出了一种基于光栅投影的倾斜校正算法。通过分析连续频率变化的条纹图像序列,构建像素点位置与像素斜率的转换模型;然后利用光栅图像倾斜角度与像素斜率变化关系,使用三角法计算出倾斜角;最后实现倾斜校正。实验结果表明,该算法可有效检测出［-90°,90°］范围内的倾斜角度,准确率为99%。与现有的Hough变换等倾斜校正算法相比,所提算法检测精确度、准确率明显提高。