新型微加速度计研究进展

微加速度计是一类极为重要的微惯性传感器,广泛应用于振动检测、惯性测量、惯性导航等多个技术行业。随着微纳加工技术的日趋成熟,微加速度计技术的发展受到广泛关注。中文对近年来基于微机电系统和微光机电系统的微加速度计最新研究进展进行综述,简要介绍各种微加速度计的基本工作原理、优势和不足之处,并对各种类型微加速度计的性能进行综合对比分析,讨论出适用于高精度惯性测量及惯性导航等应用方向的微加速度计设计方案,最后分析其仍面临的各种技术挑战,展望未来发展方向。     

基于牛顿迭代和椭球拟合的磁力和惯性传感器校准方法

传统的磁力和惯性传感器校准方法主要面向惯性导航系统,通常都需要借助高精度转台或更高精度的传感器以获取参考输出,校准设备昂贵,过程复杂耗时,不适用于运动捕获系统中的消费级传感器。提出一种基于牛顿迭代和椭球拟合的低成本、方便、快速的磁力和惯性传感器校准方法。首先分析了传感器的误差模型,然后提出牛顿迭代法校准加速度计和陀螺仪、椭球拟合法校准磁力计的方法,使用自主设计和制作的校准设备,经过两步实验同时校准3种传感器。实验表明,校准后的加速度计输出均方根误差由2.536 m/s~2降至0.096 m/s~2,陀螺仪旋转10 min角度积分误差由1 318°降至25°,磁力计输出均方根误差由46.16 nT/m降至2.13 nT/m。此方法不仅降低了传感器的校准成本,而且简化了校准流程,为磁力和惯性传感器的校准提供了一种可靠解决方案。     

基于偏振光传感器的无人机姿态组合滤波算法北大核心CSCD

针对惯性导航易受运动加速度影响和GPS与磁力计导航易受到电磁干扰影响等问题,提出了一种偏振光辅助惯性导航的无人机航姿估计算法。利用大气瑞利散射模型获取最大偏振矢量,辅助惯性元件实现了基于PI互补滤波的姿态四元数更新算法;对陀螺仪、加速度计和偏振光传感器信号进行粒子滤波的融合修正。实验结果表明:该方法解算的姿态角在静态条件下性能稳定,抑制了传感器噪声;同时在运动情况下准确性大幅提升,具有更好的动态解算精度。     

动态倾角传感器及其传递特性的研究

通过分析惯性传感器在姿态检测系统中的优缺点,提出一种简易互补滤波算法对陀螺仪和加速度计进行数据融合,生成动态倾角信号.利用角度测试装置测试该基于互补滤波的倾角传感器的动态特性,通过系统辨识获取该传感器的传递函数.辨识结果表明,该动态倾角传感器有效去除加速度计动态情况下的干扰和陀螺仪累积漂移误差,及时跟踪系统倾角变化,得到比较准确的动态角度值.     

一种新型的矿井井斜测量方法研究

井斜测量单元研究是基于捷联惯性导航原理,由三轴光纤陀螺和三轴加速度计构成惯性测量单元,通过数学平台实时地解算出载体的姿态角、位置和速度等参数.以煤矿勘测和开采为背景,采用捷联惯性导航系统替代传统的平台惯性导航系统,利用光纤陀螺和加速度计构成惯性敏感单元替代传统的磁通门和加速度计的结构,适用于具有磁场干扰的场合.初步完成井斜测量系统的静态测试,并对产生的测量误差进行了分析,姿态角可获得较高的测量精度,基本满足井斜测量的指标.利用Labview进行数据采集界面和姿态信息显示界面设计,具有良好的交互性和实时性的特点.     

基于传感器数据融合的倾斜角度测量方法研究

倾斜角度的测量精度直接决定了状态控制系统的工作效果。在单一传感器测量倾斜角度的研究基础上,探讨了传感器数据融合技术用于倾斜角度测量的方法。首先分析基于加速度计和陀螺仪测量倾斜角度的原理,并研究加速度计和陀螺仪测量结果的频率特性;然后根据加速度计和陀螺仪测量结果的频率特性选定互补滤波器作为数据融合的方法;最后选定量子粒子优化群(QPSO)算法作为互补滤波器的参数寻优方法,并对比量子粒子优化群算法和粒子群优化算法的参数寻优效果。实验结果表明,互补滤波器可以在广泛频域范围内准确测量倾斜角度值,并且量子粒子群优化算法相对于粒子群优化算法具有更好的参数寻优效果。     

基于Jerk约束的加速度校正算法

在惯性传感器的姿态估计算法中,陀螺仪在长时间的积分过程中易产生误差积累,而加速度计常被用于辅助校正姿态.然而,加速度计易受干扰而导致测量值不只包含有用的加速度成分.为了求解目标加速度,提出一种基于Jerk(加加速度)约束的无积分误差积累的方法.首先,直接利用陀螺仪和加速度计的输出来提取系统的Jerk信息.其次,在无积分...     

惯性仪表数据采集的一种实现方法

惯性仪表(陀螺仪和加速度计)是惯性导航系统中的核心部件。为便于导航计算机的数字处理．惯性仪表输出的信号通常要经过A／D或V／F转换。本文介绍惯性仪表输出信号经V／F转换后的信号处理方法，即陀螺仪和加速度计的输出经过V／F转换变成频率信号以后利用82C54构成的电路将其转化成具有一定脉冲当量的脉冲信号供计算机处理，按这种方法处理，计算机对惯性仪表的数据采集就转化为对脉冲信号的计数。文中从硬、软件两个方面讨论了这一设计与实现的方法。     

基于原子干涉技术的水下重力辅助导航研究展望

重力辅助惯性导航是当前水下潜航器导航定位研究的热点和前沿问题,有望成为下一代水下高精度导航系统发展的重要方向。首先,介绍了水下重力信息对于校正惯导系统误差的重要性,阐述了水下重力辅助惯性导航的基本原理与技术内涵;然后,从无图匹配、有图匹配等不同发展阶段,总结了基于传统相对重力仪的水下重力辅助导航的研究现状及发展趋势;进一步分析了下一代水下自主导航系统对高精度绝对重力测量技术的需求,梳理并讨论了基于原子干涉重力测量技术的最新发展及应用状况,展望了原子干涉重力测量技术在水下惯性导航领域的应用前景并总结了仍需解决的关键技术;最后,给出了我国重力辅助导航研究存在的不足及发展建议。     

一种基于卡尔曼滤波的姿态测量系统设计

以无人机的自主化和小型化为背景,设计了一种由MEMS元件构成的惯性导航系统。系统采用新型32位ARM Cortex-M4内核的STM32F407作为微控制器,MPU6050陀螺仪和加速度计、HMC5883L磁阻传感器和MS5611高度计构成姿态测量模块。给出了一种基于卡尔曼滤波的融合计算方法。研究结果表明,该姿态测量系统能够准确解算姿态角。     

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域.这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.00001％,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低...     

ENHANCING KALMAN FILTERING–BASED TIGHTLY COUPLED NAVIGATION SOLUTION THROUGH REMEDIAL ESTIMATES FOR PSEUDORANGE MEASUREMENTS USING PARALLEL CASCADE IDENTIFICATION

Integrated global positioning system (GPS) solutions that utilize micro-electro-mechanical systems (MEMS)-based inertial sensors provide a more accurate navigation solution than stand-alone GPS in challenging scenarios. To keep the integrated solution less affected by sensor errors and to decrease the cost, a reduced inertial sensor system (RISS), which consists of only one gyroscope and two accelerometers, together with an odometer and integrated with GPS, is proposed. Tightly coupled integration is a better choice in demanding scenarios, as it can provide GPS aiding even when the number of visible satellites is three or less. However, inaccuracies of pseudoranges measured by the GPS receiver and used as aiding in the RISS/odometer/GPS integration solution will affect the overall positioning accuracy. This article explores the benefits of using parallel cascade identification (PCI), a nonlinear system identification technique that improves the overall navigation solution by modeling residual pseudorange correlated errors to be used by a Kalman filter (KF)–based tightly coupled RISS/odometer/GPS navigational solution. When less than four satellites are visible, the identified parallel cascade model for the still visible satellites is used to predict the residual pseudorange errors for these respective satellites, and the corrected pseudorange value is provided to KF. The performance of PCI for correcting the pseudoranges is examined and verified using road test trajectories and compared to a traditional tightly coupled RISS/odometer/GPS KF solution. The results demonstrate the advantages of this technique in correcting the pseudoranges and enhancing the positional solution.     

基于IMU旋转的捷联惯导系统自补偿方法

为了有效地抑制惯性器件常值偏差对惯导系统导航精度的影响,提出了基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的自动补偿方法.由于旋转的引入,IMU中陀螺仪和加速度计的常值偏差被调制成正弦信号,通过积分运算可以有效地消除常值偏差对惯导系统导航精度的影响.在分析单、双轴旋转补偿原理的基础上,提出一种改进的单轴旋转调制方法并对该方法进行了理论证明和实验分析.与以往的单轴旋转方式及未采用旋转方式时的导航误差进行了比较,结果表明该方案可以消除所有方向上惯性器件常值偏差的影响,有效地提高系统的定位精度.     

基于二代小波的光纤陀螺实时降噪方法研究

在以光纤陀螺为主要惯性敏感元件的捷联惯导系统中,陀螺输出信号中的非确定性随机漂移的实时滤除,对提高实际系统的初始对准精度及导航精度均具有重要的意义。考虑到传统小波阈值法的去噪性能及实时性问题,提出了一种基于第二代小波变换,并结合硬阈值、强制降噪和带滑动数据窗的光纤陀螺信号实时降噪改进方案。利用MATLAB进行了正弦信号和光纤陀螺输出信号的模拟实时降噪实验,并与一代小波实时降噪方案进行了比较,验证了改进方案在理论计算速度大幅提升的前提下,降噪性能得到提高,进而减小了系统输出的姿态误差。     

A Platform Control Algorithm for Long-endurance Hybrid Inertial Navigation System with Fiber Optic Gyroscope

Instruments and Experimental Techniques - Hybrid inertial navigation system is a new solution to increase long-endurance navigation performance based on fiber optic gyroscope. It relies on...     

自适应滤波协同图优化导航方法研究

针对传统图优化导航方法中传感器测量协方差不准确导致估计精度下降的问题，本文提出了一种自适应滤波协同图优化导航方法。首先，构建INS/GNSS/e-Compass组合导航系统的因子图模型；然后，利用测量方差自适应滤波对传感器测量信息进行预估，在滤波过程中更新相关传感器的测量协方差矩阵，并将预估结果作为变量节点加入因子图；最后，通过滑动窗口控制优化范围，对窗口内的变量节点进行非线性优化并输出最终的导航状态。仿真和实验结果表明，所提出的方法对传感器测量协方差的不匹配问题具有自适应性，能够在不同场景下实现高效可靠的导航定位。相比于传统图优化方法，该方法的定位精度提升了30%,计算效率提升了12%。     

双轴陀螺测试转台回转误差测量方法研究

回转误差是伺服转台的主要性能指标之一,对导航系统漂移误差的补偿起着重要作用。为提高惯导系统的导航精度,针对惯性器件的性能测试,对某型双轴陀螺测试转台回转误差的测量方法进行了研究设计。介绍了双轴陀螺测试转台的工作原理和系统误差,重点研究了其回转误差测量原理,并以该测试转台为对象,对其回转误差进行具体测量,从而实现对双轴陀螺测试转台的检验。     

MEMS-based rotary strapdown inertial navigation system

As the inertial navigation completely depends on the sensed acceleration and rotation rate by IMU, the sensor errors accumulate and eventually lead to diverged inertial solutions. Therefore the compensation of the inertial sensor errors is an effective approach to improve the SINS navigation performance. The rotation error modulation in rotary SINS, which has been extensively used for the filter-optical IMU in the past, is one of the techniques to compensate or mitigate the inertial sensor errors and eventually improve the system navigation performance. The rotary SINS is an inertial navigator in which the IMU is installed on the rotational platform and rotated following the pre-designed rotation configuration, and the rotation error modulation is the technique that compensates the navigation errors caused by inertial sensor bias in a complete rotation cycle by rotating IMU. Given the auto-compensation of inertial sensor bias in rotation error modulation, the objective of this paper to develop a MEMS-based rotary SINS, in which the significant sensor bias is automatically compensated by rotating the IMU, to offer the comparable navigation performance to tactical-grade IMU. Simulation results indicate that, compared with the conventional method, the proposed approach attenuates the navigation errors and improve the calibration accuracy based on the reciprocating rotation scheme can be used to automatically improve the observability.     

磁流体动力学陀螺仪的结构设计与实验研究

磁流体动力学陀螺仪不存在传统陀螺仪的机械磨损和光学陀螺仪寿命易受光学器件制约的缺点,因而具有高精度、宽频带、长寿命的特点,此外还具有抗冲击、体积小、重量轻等综合性能。该传感器不但在惯性导航中表现优异,同时在卫星微角振动测量及寻北等领域也具有广阔的应用前景。通过对磁流体动力学陀螺仪基本工作原理进行简要分析,对简化模型进行了推导,并提出一种磁流体动力学陀螺仪的结构设计方法;对磁路进行仿真,获得工作间隙处磁感应强度分布,并代入磁流体仿真环节;对流动进行仿真,同时对样机进行标定实验,可得出标定过程的仿真与实验间差值的平方和均值的开方为5.69 m V,非线性度为0.6%,表明通过研究导电流体的流动过程进而分析该陀螺仪的性能是十分必要的,并证明了磁流体动力学陀螺仪具有良好的发展前景。