高精度捷联惯导姿态更新优化算法研究

介绍了捷联惯导姿态更新算法中的旋转矢量算法。在传统的旋转矢量算法的基础上,提出一种新的航姿算法,并分析了此算法在典型圆锥运动输入下的误差。新航姿算法是利用增加一个角速度拟合参数来估算算法误差,进而优化姿态更新的方法。与传统的旋转矢量算法比较,算法无需计算误差四元素,新算法更为简单明了,为改进旋转矢量算法提供了一种新的思路。     

双三相异步电机不对称运行的研究

采用空间矢量解耦的方法将定子缺相的双三相异步电机在静止坐标系d-q子空间中等效为一个不对称的两相电机,借助于进一步的等效转换,得到在旋转同步坐标系d-q子空间中的对称两相电机.再用转子磁场定向矢量控制的方法建立电机的数学模型,讨论为保持定子的圆形旋转磁势而采用定子电流矢量调制的方法,最后进行仿真验证.     

基于大动态环境下的高阶迭代姿态优化算法

针对 MEMS 惯性导航系统大动态坏境下不可交换误差问题,提出了一种改进的高阶迭代姿态优化算法。 为解决大动 态环境下不可交换误差对整个惯性导航系统带来的影响,推导了传统等效旋转矢量算法,针对此算法仅依靠提高子样数来提高 解算精度,忽略了高阶项在大动态环境下会产生较大误差的问题。 设计了快慢回路的方法,分别求得不同阶次的旋转矢量解, 再通过周期性迭代算法得到快慢回路的迭代解。 最后通过大动态环境仿真实验以及高精度三轴转台摇摆动态实验,验证了高 阶迭代算法的性能优势。 实验结果表明,大动态环境下,相较于传统算法,改进的高阶迭代姿态优化算法精度提高了两个数 量级。     

基于载体动态误差估计的旋转矢量算法

为减小旋转矢量的动态误差(即不可交换误差),基于对非互易矢量的估计,构造了一种不可交换误差估计模型。文中据此推导了几种旋转矢量算法的数学表达式,进而对所得算法进行精度和复杂度等的综合分析,最后在典型圆锥运动环境下用MATLAB对算法进行仿真。仿真结果验证了对算法的分析,证明文中所给出算法可以有效减小旋转矢量的不可交换误差,从而提高捷联姿态解算的精度。     

三相PWM整流器基于旋转坐标系的电流控制方法

为了达到三相PWM整流器内环电流协调控制,可以通过空间矢量模型选择合理的电感电压矢量(IVV),使电流变化率朝着正确的方向变化,消除电流误差。为了精确选择合理的IVV,并保证其简便性,提出了旋转坐标系的方法,即通过扇区旋转和矢量旋转,选择与电流误差矢量相邻的IVV,并确定其位置关系。此方法能够分别运用滞环电流控制(HCC)或空间矢量调制(SVM)两种形式得以实现,进而达到不定频或定频控制。最后通过实验对比研究,说明该理论的有效性和两种方法的差异性。     

感应电机空间矢量PWM控制逆变器死区效应补偿

针对感应电机矢量控制系统,提出了一种可以补偿死区误差电压并消除零电流钳位效应的死区补偿方法。在分析了影响死区效应的因素以及等效死区时间的表达式的基础上,采用平均死区时间补偿法,在两相静止轴系中对等效死区时间产生的误差电压进行了补偿。为了提高电流极性检测的准确性,利用旋转轴系中的励磁电流和转矩电流分量经过坐标反变换,判断电流在两相静止轴系所处的扇区来决定需要施加的补偿电压。另外为了更好地消除由于死区时间而产生的零电流钳位效应,将一种消除零电流钳位效应的方法结合到上述补偿方法中。最后通过TMS320F2812 DSP芯片来实现补偿算法,并在11kW感应电机矢量控制系统中验证了补偿算法的有效性。     

基于对称电压矢量组的直接转矩控制

提出了一种新型的直接转矩控制策略和定子磁链观测误差校验方法。通过分析SPWM的特点,设计出基于对称电压矢量组的调制方法,并探讨了采用此方法时三相桥式电压型逆变器的电压输出能力。该调制方法获得方向任意且大小可控的等效电压矢量,以此控制定子磁链的幅值和旋转速度,从而达到对输出电磁转矩的有效控制,并获得恒定的器件开关频率。利用电压矢量组所具有的对称性,对积分获得的交流电动机磁链幅值和位置角的误差进行校正。该方法可以明显减少感应电动机定子磁链、电磁转矩和电流的波动,而转矩的快速响应仍能保持。具有鲁棒性强、开关频率恒定的优点。仿真结果验证了该方法的有效性。     

有源滤波器滞环电流控制的矢量方法

提出了基于误差电流矢量和等效电源电压矢量的三相有源滤波器电流滞环控制的空间矢量模型，解决了滤波器的三相关联控制问题。利用模型中引入的误差六边形概念，将有源滤波器的空间矢量问题转化为平面解析问题，实现了逆变器状态的优化选择和控制，提高了系统的控制精度，降低了器件的开关频率。仿真结果验征了该方法的有效性。     

基于双空间矢量调制的矩阵式变换器优化控制

分析了矩阵式变换器可等效为间接式交-直-交变换和采用输入双空间矢量调制的原理和具体实现方法。针对双空间矢量调制中传统算法在计算各矢量作用时间上存在误差的问题,提出了一种补偿算法。在一定程度上能够弥补因误差造成矢量作用时间缩短带来的实际空间矢量对参考空间矢量跟随性能下降的问题。算法简单可靠,对系统控制算法的复杂性不会增加很多,实用性强。在MATLAB的Simulink环境下对系统进行了建模仿真,仿真结果证明了补偿算法的有效性。     

45°坐标下级联逆变器基于三电平逆变器SVM

分解H桥级联型逆变器结构,其实质可等效为多个三电平逆变器的叠加.利用三电平逆变器空间矢量调制( SVM)技术来研究级联型逆变器SVM,可简化其矢量的分析与求取.三电平逆变器在传统的SVM中扇区定位与矢量作用时间计算复杂,为了简化其矢量的求取,研究了其在45°旋转坐标平面中基于三电平逆变器的SVM.最后,通过实验验证了所提方法的正确性.     

交互式捷联惯导仿真系统的设计与实现

捷联式惯导系统在军事领域应用广泛,为便于对捷联惯导算法及各种组合导航算法进行研究,设计了一套捷联惯导仿真系统。系统基于模块化思想设计,包括运动状态建模、轨迹仿真模块、惯性器件仿真模块和惯导解算模块4部分,具有良好的可移植性和拓展性;系统采用图形交互界面,实时操控载体的运动状态,能便捷、高效的生成各种运动轨迹;利用等效旋转矢量算法对仿真数据进行了解算分析,仿真实验结果表明：解算的姿态、速度和位置误差与理论值相符,验证了仿真模型的合理性以及仿真系统的可用性。     

基于IMU旋转的MEMS器件误差调制技术研究

MEMS惯性器件低信噪比和漂移大成为影响其应用范围的主要因素,提出基于惯性测量单元(IMU)转动的MEMS器件误差旋转自补偿方法。将MEMS输出信息利用小波降噪技术进行预处理,以此消除旋转调制方案不能自补偿的随机噪声信号并提高器件输出信噪比,分析IMU转动方案下的误差调制原理并探讨旋转调制的工程可实现性。搭建MEMS转动实验环境并开展降噪与IMU静止和转动条件下的导航实验,结果表明,采用旋转状态下的MEMS惯导系统可有效地提高系统自身测姿和定位精度。     

Anti-unwinding adaptive attitude tracking control for spacecraft with quantized torques

The adaptive attitude tracking control with limited communication to actuators is addressed in this paper. To avoid unwinding, a rotation matrix rather than a quaternion is used to describe the attitude, for which the stability is proved by Morse-Lyapunov function. To meet the need of restricted communication, two different quantizers, logarithmic quantizer and hysteres quantizer, are used to quantize the control torque signal. Two robust adaptive control techniques, indirect and direct, are proposed to deal with the impacts of quantization error and external disturbances. The proposed control schemes, in conjunction with quantizers, guarantee the global boundedness of all signals in the closed-loop system, allowing the attitude tracking error to converge toward an ultimately bounded region. Finally, numerical simulations are conducted to illustrate the performance of the proposed controllers.     

基于UWB和IMU紧组合的室内定位导航算法

针对超宽带(UWB)在室内复杂环境中定位导航精度低,受非视距(NLOS)误差影响严重,且无法提供目标姿态信息的问题,提出一种基于UWB和惯性测量单元(IMU)紧组合的室内定位导航算法。以位置、速度、四元数、加速度计偏差和陀螺仪偏差为状态向量,通过扩展卡尔曼滤波算法融合UWB和IMU测量信息,加速度计偏差校正速度和位置,陀螺仪偏差校正四元数;用测量残差计算量测噪声因子,组成残差矩阵,动态调整量测噪声协方差矩阵,抑制NLOS误差对定位导航的影响。结果表明,在室内复杂环境下,基于UWB和IMU紧组合的定位导航算法比仅使用UWB定位时LS-Taylor算法精度提高了88.6%,增强了系统抗NLOS误差的能力,提高了动态定位精度,并能得到较准确的姿态信息,具有良好的实用性和鲁棒性。     

基于加速度变噪声EKF的无人机姿态融合算法

针对传统无人机姿态解算方法过程复杂、计算量大、动态性能差的缺点,建立无人机姿态模型;采用陀螺仪对加速度计直接进行滤波的方法,设计出新的基于扩展kalman滤波的加速度滤波器;并且考虑到无人机非重力加速度的影响,对常规kalman滤波器进行了变噪声的改进。利用STM32微控制器和MEMS惯性单元搭建硬件平台进行对比实验。结果表明:在168 MHz时钟频率下,一次传感器数据读取和姿态解算总共耗时3.27 ms,数据更新率可达100 Hz。新算法飞行动态误差小于1°,而传统四元数法动态误差为2°左右;变噪声处理后静态瞬时偏差由4°降到1°。说明新算法的抗震效果和解算精度更好,可以为无人机自主飞行提供更准确的姿态信息。     

小波变换法在姿态解算中的应用

在惯性导航系统中,为提高陀螺仪的姿态测量精度,抑制低频噪声的影响,提出采用小波变换法融合陀螺仪、加速度计数据解算姿态角。首先将陀螺仪采集的数据进行2层小波分解,剔除低频分量和不稳定的信号,并和高频分量重构,得到滤波后的陀螺仪数据。然后利用加速度计采集的数据解算姿态角,用来不断迭代初始四元数,由初始四元数求出重力向量,再由重力向量叉积求出误差,并作PID控制来修正陀螺仪的角度。最后把修正和滤波后的陀螺仪数据用龙格库塔法计算新的四元数,用该四元数进行负增益调节,最终解算出精确的姿态角。仿真结果表明,解算姿态角的精度提高了80%,可以有效地抑制低频噪声,更加精确地计算姿态角,从而进一步提高导航系统的定位精度。     

航磁矢量测量的误差分析和补偿算法研究

由机载平台引起的干扰场是航磁测量的主要误差来源之一,为提高地磁矢量的航空测量精度,设计了一种基于分量约 束的矢量航磁补偿算法,建立了包含固定、感应和涡流磁干扰的补偿模型。 通过引入惯性传感器获得的载体姿态信息,将补偿 系数求解问题线性化,并采用最小二乘法进行了参数求解。 仿真结果表明,算法可准确估计补偿系数,并将磁场矢量的均方根 误差减小至 3 nT 以内。 使用直升机航磁测量系统进行了飞行验证试验,补偿后总场的均方根误差从 716. 97 降低至 14. 27 nT, 三分量的均方根误差分别从 422. 86、240. 68、676. 21 nT 降低至 54. 21、52. 34、38. 61 nT,结果表明,该算法可显著提高航磁矢量 的动态测量精度。