基于温度的挠性陀螺多速率精确标定技术研究

分析了一类智能交通系统(intelligent transportation system,ITS)用挠性陀螺的标度因数与输入角速率和环境温度之间的非线性关系,重点研究了不同环境温度下标度因数的变化规律及其标定问题.充分考虑了输入角速率与环境温度对挠性陀螺标度因数的影响,首次提出了一种基于环境温度的挠性陀螺多速率精确标定与补偿方法,建立了高阶、高次、非线性的标度因数拟合模型.实验研究结果表明,相对现有技术,提出的模型拟合精度较高且应用简便,能够有效地降低温度对标度因数的影响,提高挠性陀螺的温度适应性.     

闭环光纤陀螺零偏与标度因数的综合补偿

温度特性和非线性是影响光纤陀螺精度的重要因素,为研究闭环光纤陀螺的复合模型及补偿方法,在组建的测试系统下,在全温范围内各速率点处分别测试闭环光纤陀螺仪的标度因数和零偏。根据所测结果,分别建立与温度、速率相关的零偏和标度因数非线性模型,采用多项式回归分析的方法确定模型的参数。通过实测验证:建立的模型能够较好地反应光纤陀螺的温度与标度因数非线性特性,采用该模型对IFOG进行综合补偿后,其精度有了较大的提高。相比于传统方法,该方法简单,可靠,经济且易于实现。     

光纤陀螺标度因数测试方法分析

标度因数是光纤陀螺参数测试中重要的测试之一,标度因数的测试精度在导航应用中具有重要意义。通过对角速率法和角增量法两种标度因数测试方法进行理论分析与比较得到,角速率法主要误差来源是安装误差、转台的速率精度等;而角增量法的误差来源则主要是转台的定位精度和转台倾斜等。通过计算两种方法下标度因数的非线性度和不对称度大小来比较标度因数的测试准确度,然后再通过随机位置动态运动实验和导航实验来验证两种方法测得的标度因数精度,最终证明角增量法测得陀螺的标度因数精度优于角速率法测得的标度因数,且比角速率法高1个数量级。     

一种改进的挠性陀螺POS标度因数误差补偿方法

针对航空遥感的作业环境特点,分析了一类位置姿态测量系统(position and orientation system,POS)用挠性陀螺的标度因数与输入角速度之间的关系.通过实验发现了在小角速率范围内陀螺标度因数与输入角速度呈规律性的“双曲线”关系.提出了一种改进的多位置动静混合误差标定与补偿方法.首先根据输入角速度的正负分别标定陀螺标度因数并建立两者的对应关系,然后在误差补偿时根据输入角速度的方向和数值变化更新标度因数及其他误差系数,进而提高误差补偿精度.实验结果表明,利用改进方法进行误差补偿后POS角测量精度可以提升约20％.     

陀螺寻北仪粗寻北新方法——角加速度计算法

为了实现摆式陀螺寻北仪的大偏北角粗寻北,文中分析了陀螺灵敏部大偏北角运动方程,在最大速度检测法的基础上提出一种新的粗寻北方法——角加速度计算法。文中首先对仪器设置大偏北角的粗寻北试验,然后使用低通滤波对粗寻北阶段陀螺速度信号进行处理,最后建立跟踪微分器求得角速度的微分信号即角加速度,代入公式求出粗寻北结束时壳体的偏北角,并对角加速度计算法的结果进行精度分析。试验结果表明,角加速度计算法精度为6.03″,精度较好,能够实现大偏北角粗寻北,具有良好的工程实践性。     

一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺

介绍了一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺.该陀螺的特点是陀螺本身不包含驱动结构,利用旋转载体自旋作为驱动,陀螺输出信号中包含旋转载体自旋、偏航和俯仰角速率信息.根据陀螺的结构和工作原理,建立了陀螺的运动学方程.针对陀螺信号的特点,给出了从陀螺信号中同时解调旋转载体自旋、偏航和俯仰的角速率的算法,以及消除旋转载体自旋角速率变化对陀螺标度因数变化的算法.实验证明了解理论分析和算法的可行性.     

粒子滤波在光纤陀螺四位置寻北中的应用研究

为了减小噪声对光纤陀螺(FOG)寻北的影响,提高寻北精度,提出了将粒子滤波这种非线性滤波方法应用于光纤陀螺四位置寻北的方案。根据四位置寻北模型建立光纤陀螺寻北系统的非线性状态空间模型,将基于系统重采样和在重采样后引入马尔可夫链蒙特卡罗(Markov chain monte carlo,MCMC)移动的粒子滤波器分别应用于光纤陀螺寻北系统的非线性滤波。使用一个零偏稳定性为0.05°/h的闭环光纤陀螺进行实验,实验结果表明,这2种粒子滤波器均能够有效地提高光纤陀螺的寻北精度。基于系统重采样的粒子滤波器有随时间发散的趋势,这是由于在选定粒子数目较少的情况下,重采样导致粒子多样性丧失的结果;而在重采样后引入MCMC移动的粒子滤波器有很好的收敛性能。重复实验结果表明,使用基于MCMC移动的粒子滤波器可以达到更好的寻北性能。     

具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环

提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法,以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理,对其运动方程的分析显示:为了提高标度因数的稳定性,需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性;而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此,设计了增益补偿算法,配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明,在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时,振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明,增加增益补偿环节后,标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。     

基于GA-BP神经网络的光纤陀螺温度补偿

标度因数和零偏的温度特性是影响光纤陀螺工作性能的主要因素,为提高光纤陀螺仪的输出精度,分别建立了基于BP神经网络的标度因数和零偏的温度补偿模型。在此基础上提出了利用遗传算法优化网络参数来弥补BP神经网络算法所存在的不足,最终建立了GA-BP神经网络温度补偿模型。使用在不同温度下的标度因数和零偏测试数据对改进后的神经网络补偿模型进行验证并与原网络模型进行对比分析,实验结果表明,优化过的模型其补偿效果具有很大的提高,其补偿的误差精度提高了一个级别。     

摆式陀螺寻北仪的积分测量方法

提出了摆式陀螺寻北仪双次积分测量方法。在粗寻北阶段采用步进法,通过施加外作用消耗系统原有机械能的方式实现快速寻北。在精寻北阶段采用双次光电积分法,通过对陀螺摆动的一个半周期做积分测量后,利用双次光电积分的方式得到陀螺摆动的平衡位置,然后,通过计算来获得子午面与陀螺轴向之间的夹角。进行了一系列相关实验,结果表明:双次光电积分法有效地改善了JT15试验样机的寻北测量精度,使由于测量周期变化造成的寻北误差减小了10倍以上。本方案缩短了摆式陀螺寻北仪的寻北测量时间,提高了寻北测量精度,满足了工程实用的精度和快速性要求。     

基于限制自适应卡尔曼滤波器的连续旋转寻北算法研究

寻北仪作为方位测量装置,被广泛应用在军事和民用定向和控制领域。针对传统寻北仪方法存在的缺陷,提出了基于测量地球自转角速度分量的连续旋转调制动态寻北方案。通过动态误差建模、优化过程约束和动态噪声估计,设计了延时补偿和硬件修正方案及限制自适应卡尔曼滤波算法。经仿真及试验验证,该算法鲁棒性好,抗噪声能力强,寻北精确度高。     

基于相对相位直方图的数字表面模型数据与遥感图像配准

针对数字表面模型（DSM）数据与可见光遥感图像信息融合的实际需求,提出了一种基于一致点漂移算法（CPD）与相对相位直方图（RPH）的两级配准策略来实现上述数据与图像的自动配准。首先,利用Canny算子提取图像边缘,将边缘点作为CPD算法的输入,实现两幅图像的粗匹配,从而得到初始对应点集并估算尺度因子;然后,定义了一种鲁棒且具有旋转、平移不变性的区域变化信息描述子-RPH,其在粗匹配结果的保障下还可以实现尺度不变性;最后,根据尺度因子在两幅图像中分别定义圆环模板,并利用RPH测度完成DSM图像与可见光遥感图像精配准。实验结果显示,使用RPH测度进行精配准后,基于CPD算法的粗匹配结果得到了有效校正,在数据自身存在透视失真情况下,算法配准误差约为2 pixel,能够满足DSM数据与遥感图像信息融合的需求。     

基于RBF神经网络的数字闭环光纤陀螺温度误差补偿

为了消除数字闭环光纤陀螺温度误差,设计了基于径向基函数（RBF）神经网络的温度误差补偿方案,对该方案所采用的标度因数误差模型和偏置误差模型进行了研究。首先,根据光纤陀螺的温度误差分布情况设计了标度因数误差和偏置误差联合补偿的方案。接着,将基于多尺度分析的噪声和趋势项分离算法应用于建模数据预处理,以提高建模数据准确性。然后,建立了RBF神经网络模型,并改进模型的学习方法以防止网络的过拟合。最后,讨论了模型输入向量对神经网络规模的影响。温度补偿的结果表明：标度因数误差模型的残差均方（RMS）达到0.73 ,偏置误差模型的RMS达到0.051 。该建模方法可以满足中、高精度光纤陀螺实时温度补偿的要求。     

METHOD FOR PRECISION CALIBRATION OF ROTARY SCALE ERRORS AND PRECISION DETERMINATION OF GEAR TOOTH INDEX ERRORS

A method using the ‘closure principle’ is developed for precision calibration of rotary scale errors of gear measurement machines and precision calibration of gear tooth index errors (accumulated tooth-spacing errors) after ‘removal’ of rotary scale errors. The method uses the standard machine procedure for measuring gear tooth index errors applied to a spur gear artifact mounted between machine centers. Therefore, the rotary scale calibrations include consistent effects arising from eccentricities of machine gear-mounting centers and scale-mounting center relative to the instantaneous axis of table rotation, wobble of the instantaneous axis of table rotation, as well as scale graduation errors, etc. Gear-artifact index errors are referenced to the axis connecting the mounting centers located on the gear. Successful implementation of the method does not require super precision of the gear artifact. A method for obtaining approximate uncertainties (standard deviations) of both scale and index error calibrations is developed that utilises the same measurement data required for the scale and index error calibrations. The developed methods are illustrated by applications to scale and index error calibrations obtained from multiple sets of measurements. Typical standard deviations achieved are under 0.05 μm (1/10th of the wavelength of light). Good consistency is achieved between predicted and measured results. The general methods developed should be useful for other types of rotary axis calibrations.     

机载激光雷达系统标定方法

机载激光雷达系统投入测量工作前首先要标定激光雷达与导航系统的安装偏差参数。首先利用激光雷达反射强度信息确定和检测控制区,接着通过控制区平均获取对应的控制点,并根据控制点量测构造包含偏差参数和导航参数信息的激光矢量量测方程,然后利用广义最小二乘法对噪声进行白化操作,最后进最小方差准则下的内方位参数估计。实验结果表明,算法能够有效抑制导航系统误差造成的系统矩阵不精确,在量测噪声放大和放宽小角度假设条件下的偏差参数估计优于传统方法。满足机载激光雷达系统标定对精度和鲁棒性的要求。     

基于电压调幅的超声波流量计研究

针对非稳态流场中流体测量时存在的问题,在超声波流量计过零点检测判定渡越时间的基础上,采用电压调幅的方法产生超声波换能器激励信号,然后通过检测接收信号的幅值变化特征点定位波形。针对流场中流速不稳定可能导致的波形不稳定情况,采用中值滤波的方法减小误差。为避免ADC芯片位数和AD转换速率限制导致渡越时间测量误差问题,在数字波形特征点判定基础上,采用过零点检测从模拟波形上获得渡越数据。实验结果表明,该方法具有一定的可行性,可以达到对超声波脉冲序列准确处理、定位的目的,测量误差可以控制在在1.5%以内,可以达到二级精度仪表的要求水平。     

自动影像测量系统关键算法

为了实现对工件的自动影像测量,建立了自动影像测量系统。对该系统所采用的图元识别、图元测量、基于自动聚焦原理的高度测量等算法进行研究。根据圆形和矩形图元的面积和真圆度等特征参数介绍了图元识别算法。以直线和圆形图元为例分析了典型图元的测量算法,即在提取图元边缘点的基础上进行图元拟合。在分析比较能量谱等聚焦评价方法的性能的基础上,说明了采用自动聚焦原理进行高度测量的算法。最后,介绍了系统比例尺的设定方法以及光栅尺读数的误差补偿方法。实验结果表明:比例尺的标定精度为0.5 μm;图元的测量精度在微米级;高度测量精度为0.035 mm,基本满足自动影像测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

数字式光栅测长仪温度测量定标系统

为满足数字式光栅测长仪测量精度进一步提高的需要,为数字式光栅测长仪测温系统设计制作了一种高精度多路温度定标系统。根据热传导理论,分析了系统设计的合理性。同时通过实验检测证实了该系统的实用性。该系统具有成本低、精度高、操作方便、易于在现场推广应用等优点。用该系统定标的多路温度测量仪送法定计量部门检定,检定结果表明该系统达到预定的标准。     

基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法

针对大尺寸测量系统坐标统一化过程中公共点的测量误差不可控制的问题,提出了利用可现场溯源的标准器取代传统的独立公共点的方法。设计了一种标准器,并用更高精度等级的三坐标测量机对标准器上各个目标点之间的空间几何位置关系进行标定,把这些几何位置关系作为约束条件。现场应用中多站大尺寸测量仪分别测量标准器上的目标点,计算出各个几何关系与通过标定的约束关系之差,将这个差值与设定的误差限进行比较,确定公共点的测量值是否有效。对该方法进行了理论分析和仿真证明。提出了7参数坐标配准算法对大尺寸测量进行空间坐标数据配准。用激光跟踪仪和激光雷达及4个标准器进行现场实验,实验结果与传统方法相比,坐标配准误差得到降低。为了进一步验证该方法的有效性,把一根经过检定的基准尺放置于测量空间的12个不同位置,使用标准器约束前后的两组坐标配准参数分别计算基准尺长度的平均值和标准差。实验结果表明,使用标准器约束方法能够提高大尺寸测量系统坐标统一化精度。     

基于线性代数和正则化方法的驻留时间算法

将加工的数学模型由去除函数与驻留时间的卷积过程转变为去除矩阵与驻留时间向量的乘积过程,从而将驻留时间的计算变为线性方程的求解。因测量误差而引入的噪声导致了方程的病态,传统的数值计算方法失效,因此,用Tikhonov正则化对建立的模型进行求解。采用了无须任何先验知识的自适应方法选取正则化参数。对同一组数据采用其他的驻留时间算法进行计算并对比,精度提高了30％以上。最后对一组面形数据使用实际参数进行了模拟加工,加工后的PV、RMS的收敛比率分别达到0.48,0.62,满足实际驻留时间的求解要求。该方法稳定收敛,精度高,设置灵活,是一种较实用的驻留时间算法。