基于递推最小二乘法的地磁测量误差校正方法

针对弹体地磁测量容易受到各种误差影响而导致地磁姿态测量精度降低的问题,在分析自身误差和环境误差的基础上,对椭球模型的地磁测量误差进行建模,采用最大似然估计解算静态误差补偿参数,以解算结果为初值,通过递推最小二乘法推到补偿参数的实时更新算法,综合以上研究,形成用于地磁测量误差补偿的在线组合校正方法。仿真及实验结果表明,在接近盲区方向的最大姿态角误差小于5°,在线组合校正能够保证姿态检测系统在不同射向条件下的精度。     

航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法

针对航向测量系统中三轴磁传感器误差参数标定问题提出了等效两步法。通过奇异值分解将测量模型等效为一组坐标变换,分析误差参数的几何意义及等效变换方法的意义与特点,依据几何意义将标定过程分为两步进行,即等效传感器坐标系标定及等效非对准标定。利用椭球面方程系数计算等效传感器坐标系误差参数,明确椭球法标定参数的几何意义;应用主成分分析法进行等效非对准标定,分析传统主成分分析法产生符号错误及非正交问题的原因与影响,并研究符号修正与正交修正方法。等效两步法的标定过程不需要航姿参考、地磁信息及辅助传感器,实验表明其航向角校正精度与点积不变法相当。     

磁传感器输出姿态信息修正方法研究

在基于地磁、角速度及重力加速度(MARG)测量的航姿融合估计应用中,磁干扰会破坏磁传感器输出所含姿态信息,进而降低姿态估计精度。为提高姿态估计的抗磁干扰能力,研究了在静态及小幅加速度运动条件下修正磁传感器输出的方法。该方法利用重力加速度测量值对归一化磁传感器输出向量进行修正,修正依据是地磁向量与重力加速度夹角恒定以及最小化修正角度。分析了航姿融合估计算法模型与磁传感器输出修正原理,给出了修正方程并推导了修正计算式,最后通过静态与动态实验验证了修正效果。实验表明,磁传感器输出修正使俯仰角及横滚角估计均方根误差分别降低2.6°与1.6°。此外,该修正方法还具有不改变融合计算过程,便于与其他改进措施结合使用的特点。     

双轴倾角传感器姿态角测量的建模与标定

根据双轴倾角传感器的测量原理,建立了姿态角的测量模型。针对该测量模型,分别研究了无误差和误差下的姿态角的求解模型,并通过坐标变换算法,建立了含误差项的姿态角的求解模型。针对该模型的误差项,讨论了双轴倾角传感器姿态角测量的标定算法。在±4°范围内,通过实验对该标定算法进行了验证。实验结果表明,经修正,双轴倾角传感器的双轴标定精度由修正前的0.118°提高到0.012 46°,该标定算法使双轴倾角传感器的标定误差减小了一个数量级。该标定算法简单、快速,可以满足诸多场合对于姿态角测量的0.03°标定精度要求。     

微型捷联航姿系统误差分析与补偿

针对由三轴磁传感器、三轴加速度计和三轴速率陀螺构成的九轴传感器航姿系统,基于九轴传感器的姿态解算方法,详细分析了传感器的误差来源并建立了与之相适应的误差数学模型;根据传感器自身特点和九轴传感器的测量特点提出了相对应的误差补偿算法。试验结果表明,磁通门传感器的航向角最大误差由补偿前2.6°降低为补偿后0.19°;补偿后加速度计的俯仰角最大误差为0.19°,倾斜角最大误差0.19°;速率陀螺的静态误差补偿在4 min之内航向角误差为±0.2°,俯仰角补偿后误差±0.3°,倾斜角补偿误差±0.3°;当速率小于14.7(°)/s时,动态误差控制在±0.95°。     

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)。     

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。     

嵌入式姿态测量系统设计与仿真

为了满足日常生活、生产中对姿态测量的需求,针对嵌入式系统的特点,设计了一种运算量较小的姿态测量算法。直接使用加速度计和地磁传感器来计算姿态角,然后利用卡尔曼滤波融合陀螺仪的输出,达到误差补偿和弥补加速度计动态性能差的目的。为了避免俯仰角和横滚角误差对航向角计算的影响,还设计了两步更新,使用一步更新后的俯仰角和横滚角来计算航向角。实验结果表明,姿态测量的精度满足要求,同时也达到了减少运算量的要求。     

基于GMR传感器的三轴电子罗盘

针对现有大多数罗盘精度不高的问题,设计了一款基于新型巨磁阻(GMR)传感器芯片的三轴电子罗盘测量系统。该系统采用3个巨磁阻传感器芯片来测量地磁场矢量,采用三轴加速度传感器来测量载体的横滚角和俯仰角,在MSP430单片机中实现姿态转换、航向解算,最终通过RS232接口把航向角数据传输到电脑上。通过对影响罗盘测量精度误差来源的分析,提出了相应的自动校正和磁场补偿算法;在有外界磁场干扰的情况下,采用三维旋转校准,以保证罗盘能够达到较高的精度。研究结果表明,无论是否有外磁场干扰,罗盘经过校准补偿后精度都能够达到1.5°,从而验证了所设计的罗盘能够有效的对磁场干扰进行补偿。     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。