基于Kalman滤波算法角度测量信号融合技术研究

针对车载激光通信转台姿态角控制中陀螺仪传感器存在漂移误差等问题,提出了以陀螺仪传感器和加速度传感器作为测量元件对车载转台的姿态角进行测量的方法,并在MATLAB软件平台上建立卡尔曼滤波器将传感器采集的信号进行融合,以加速度传感器输出的姿态角信息对陀螺仪测量的姿态角进行修正、补偿,以提高姿态角测量的精度。通过建立试验系统完成测试,结果表明：应用Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度传感器信号进行融合后,有效地减小姿态角的测量误差,为准确获得转台姿态角信息提供了理论依据。     

基于重力场与地磁场序贯修正的姿态解算研究

针对无人系统姿态解算中存在陀螺仪误差发散快、磁力计易受软磁环境干扰等问题,提出了一种基于重力场与地磁场序贯修正的姿态解算方法。该方法采用陀螺仪输出构建姿态四元数的状态方程,然后依次利用加速度计与磁力计数据对四元数进行2次序贯修正,以获得姿态的准确输出。实验结果表明,相比传统的2种姿态解算算法,新算法能有效抑制陀螺仪的漂移误差,提高磁干扰环境下的姿态输出精度,其姿态角的静态精度不大于0.5°,动态精度优于2°。     

硅微机械陀螺信号非线性补偿算法的研究

由于无驱动结构硅微机械陀螺的特殊性,其输出信号受自转频率的影响很大,为非线性的,这种动态特性使陀螺无法实用化,因此提出了一种适合该陀螺信号非线性补偿的新算法,通过补偿理论分析,软件程序编写和调试,硬件电路的构建,实际测试的陀螺仪输出信号和补偿后陀螺仪输出信号的对比,论证了该非线性补偿算法的可行性,并且由实际数据验证了该算法的补偿误差较小,精确性很高。证实该算法可以消除由载体自转引起的陀螺信号的误差,最终使陀螺仪输出信号的幅值只与输入角速度之间呈线性关系,稳定性得到增强。从而完善了硅微机械陀螺信号处理系统,使陀螺实用化。     

MEMS陀螺随机误差补偿在提高姿态参照系统精度中的应用

为提高航姿系统姿态角测量精度,论文对MEMS陀螺随机误差的测试和补偿进行了研究。运用Allan方差方法分析了MEMS陀螺各项随机误差的特性,建立了针对MEMS陀螺的随机误差补偿模型。采用Allan方差辨识算法完成对各项随机误差的分离,获取速率随机游走(RRW)和角度随机游走(ARW)噪声方差值。通过设计的卡尔曼滤波器对MEMS陀螺随机误差进行实时估计补偿,利用姿态解算算法得到随机误差补偿前和补偿后各3个方向的姿态角。实验结果表明经误差补偿后系统的静态偏航角测量精度提高了3倍、横滚角提高了4倍、俯仰角提高了12倍。     

MEMS陀螺仪随机误差补偿方法研究

针对MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)陀螺仪的随机漂移误差,探讨其有效补偿方法.基于陀螺仪输出角速率信息的变化量是等随机和等随机加速的两种假设,提出了两种相应的基于Kalman滤波理论的MEMS陀螺仪随机误差补偿方法.在建立陀螺仪随机误差模型的基础上,详细推导了各自的Kalman滤波方程,最后以某微惯性测量系统中所用MEMS陀螺仪的输出信号分析为例,对两种滤波方法作了实验验证.理论分析和实验结果表明:所提出的两种误差补偿方法是正确有效的,且后一种方法的滤波与跟踪效果比前一种更好.     

基于磁强计和陀螺的姿态测量方法

提出了一种采用磁强计和单轴微机械陀螺的低成本磁-惯性姿态测量方法.介绍了系统的基本组成及其工作原理.三分量磁强计固连在弹体上,三轴与弹体坐标系重合,单轴微机械陀螺安装在弹体轴线上;对陀螺测量的滚转角速率实时积分得到弹体滚转角,结合三轴磁强计输出的地磁分量测量值,通过求解姿态解算方程获得姿态信息.建立了弹体姿态解算数学模型,以某火箭弹为例,对该模型进行了仿真.误差分析表明:姿态角解算结果具有较小的误差,且误差不随时间积累.     

GPS辅助的SINS系统快速动基座初始对准

为实现基于优化的动基座对准算法(OBA)对陀螺仪误差的估计,并使其能够应用于低精度SINS系统中,将自适应无迹卡尔曼滤波算法与OBA算法相结合,提出一种新的由GPS辅助的SINS系统快速动基座对准（FIMA）算法.该算法首先推导了陀螺仪常值漂移与失准角之间的关系,并以此构建非线性系统状态方程,然后用重力加速度和GPS输出速度的积分构建量测方程;由于系统存在非线性,提出使用UKF算法对失准角以及陀螺常值漂移进行估计;由于量测方程由速度和重力加速度的积分构成,量测噪声协方差难以确定,引入自适应滤波算法对量测噪声实时估计. 跑车实验结果表明:对于低精度SINS系统,该算法可在15 s左右将航向角误差收敛到3°以内,在3 min以后航向角误差可收敛到1°以内;与传统非线性动基座对准算法以及OBA算法相比,该算法可在无任何初始姿态信息的条件下快速对准,且能够对陀螺常值漂移进行在线估计和载体系失准角补偿,提高了动基座对准的精度和收敛性能.     

磁传感器阵列安装误差标定与补偿

针对实际工程应用中磁通门传感器与磁传感器阵列安装误差会影响磁场检测精度的问题,提出了一种能够实时有效标定及补偿安装误差角的方法.通过分析安装误差角的产生机理,建立了安装误差模型和误差修正模型,对比不同位置状态下磁传感器阵列输出的磁场三分量,得到基于三位置法求解和补偿安装误差角的方法.通过试验验证了该方法的正确性,结果表明:该方法能实时有效地标定和补偿磁通门传感器与磁传感器阵列之间的安装误差角,安装误差角标定精度在0.2°以内,相同磁场环境下磁传感器阵列输出的正反方向磁感应强度绝对值之差在100 nT以内,比未标定前提升了两个数量级,具有工程应用价值.     

SINS／星敏感器组合导航方案研究

研究了SINS/星敏感器组合导航系统中对陀螺误差和星敏感器安装误差角进行在线自标定的方法。提出了以惯导输出确定的载体相对惯性空间的姿态四元数和星敏感器输出的姿态四元数构造量测的方法。设计了对陀螺随机常值漂移和星敏感器安装误差进行在线自标定的组合导航方案。仿真结果结果表明在简单的俯仰运动和抖翼运动激励下,星敏感器的安装误差估计精度可达到角秒级,姿态精度明显高于忽略星敏感器安装误差的方案。     

基于地磁场自适应修正的航姿系统姿态解算研究

针对航姿参考系统(attitude and heading reference system,AHRS)中,MEMS陀螺仪输出噪声过大、零点漂移无法完全消除、角速率输出易受干扰等导致的姿态四元数精度低、累积误差较大等问题,提出了一种自适应扩展卡尔曼滤波算法,利用地球物理场(地球重力场、地磁场)信息不断自适应修正MEMS陀螺仪在姿态解算过程中的累积误差。在ROS机器人平台上进行了实验,实验结果表明该算法能有效解决在求解姿态四元数过程中累积误差较大的问题,同时可以提高姿态解算精度,进而验证了该算法的有效性。     

陀螺误差补偿模型与平台的漂移

本文紧密结合工程实践,详细讨论了在陀螺稳定系统中通常所采用的两种不同的陀螺仪误差模型,并实施误差补偿之后,对陀螺稳定系统动态性能的影响,同时给出了仿真结果。     

感应同步器测角系统误差建模

为了提高测角系统的精度,建立了基于离线数据辨识的误差补偿模型.根据实际测量得到的测角系统在一个机械周期内(0°~360°)的全零位误差数据和多个检测周期内的细分误差数据,提出了一种基于FFT分析结果与误差机理模型相结合的建模方法,利用测角系统的误差与感应同步器自身误差之间具有强相关性的特点,用离线数据辨识的误差模型对在线数据进行实时补偿.仿真结果表明,建立的零位误差和细分误差补偿模型将测角系统的全误差从±15″减小至±2.″与传统的误差模型比较,该模型适用性广,有较高的补偿精度.     

引入反演稳态误差补偿的机器人姿态稳定性控制律

机器人在抓取作业中,容易受到活动部件的小扰动影响,导致姿态失稳.为了提高机器人抓取物体姿态的稳定性,提出了一种基于反演稳态误差补偿的机器人抓取姿态稳定性控制律,分析机器人姿态控制的被控对象模型和控制约束参量,构造机器人的纵向运动动力学模型,采用扩展Kalman滤波方法进行机器人运动的姿态角校正和参量融合处理,引入反演积分项进行机器人运动姿态参量的稳态误差补偿和自适应调节,实现了运动姿态参量的无误差跟踪控制.仿真结果表明,采用该方法进行机器人的姿态控制稳定性较好,对机器人运动参量的拟合跟踪能力较强,机器人姿态角输出的误差能快速收敛为0,整个控制律是稳态渐近收敛的.     

基于姿态补偿的视线角速率样条滤波

在大气层外动能拦截器应用背景下,对基于姿态补偿的视线角速率样条滤波进行了研究,对拦截过程中姿态跟踪角度进行了分析;通过引入姿态补偿模型,依靠三阶样条滤波实现了视线角度测量数据处理。仿真结果表明,该方法能有效减少末制导姿控情况下视线角速率滤波误差,对拦截过程中姿控引起的方法误差可进行有效的补偿。     

基于Kalman滤波的MEMS陀螺测量误差估计研究

针对微机械陀螺仪存在的测量精度较低的问题,本文采用Kalman滤波算法,对微机械陀螺仪在测量上存在的零位误差、标度因数误差、非线性平方敏感误差、加速度的敏感误差等进行了估计,建立了Kalman滤波的微机械陀螺仪测量误差估计模型,并采用Kalman滤波器对微机械陀螺仪的各项误差进行估计分析。分析结果表明,除了非线性平方敏感误差对不同角速率值的影响近似相同外,其他各项误差随着工作角速率的大小变化而变化,误差对小角速率工作测量影响较大。因此,使用微机械陀螺仪对精密仪器运动角速率测量时,要对其测量结果按标定曲线进行修正。该研究作为实际测量速率的有效补偿,提高了测量精度,具有一定的实际应用价值。     

船用极区格网惯性导航系统综合校正方法

为抑制适用于极区的船用格网惯性导航系统随时间积累的导航误差,提出一种基于格网坐标系的综合校正方法对陀螺常值漂移进行估计和补偿. 该方法首先基于格网坐标系推导了P方程,该方程建立起位置误差、格网航向误差与平台漂移角ψ的关系;其次推导了ψ方程,该方程建立起陀螺常值漂移与平台漂移角的关系;最后基于P方程与ψ方程设计了一种两点式综合校正方案,该方案通过建立观测量误差与载体坐标系下陀螺常值漂移之间的关系完成对陀螺常值漂移的估计和补偿.系统在外水平阻尼条件下间断地获取两次外部位置和航向信息后对陀螺常值漂移进行估计,进而对位置和格网航向误差重调并补偿陀螺常值漂移即可完成船用格网惯导系统的综合校正. 仿真结果表明:在两次间断的外部位置和航向信息辅助下,所设计的两点校综合校正算法可以准确地估计出载体坐标系下的陀螺常值漂移,补偿陀螺常值漂移并进行系统重调可有效抑制船用格网惯导系统随时间积累的导航误差,从而有效地保证了船舶在极区航行时的导航精度.     

MTi微型测姿系统数据采集及测姿算法研究

提出了一种以FPGA微处理器为核心的SOPC系统,利用RS-232实现对荷兰MTi微型姿态参考系统数据的实时采集。微处理器对采集到的数据进行处理、提取和存储,以及数据转换。研究了陀螺仪和加速度计/磁力计组合测姿算法,利用加速度计与磁力计测量的姿态角适时地对陀螺仪所测的姿态角进行修正,有效抑制陀螺仪所测载体的姿态角误差的发散.     

基于二阶非线性滤波的星上陀螺在轨标定

为提高三轴稳定卫星姿态确定精度,针对典型的陀螺/星敏感器联合定姿方案,结合二阶非线性滤波估计,推导了一种利用星敏感器对陀螺进行实时在轨标定的算法.充分考虑卫星姿态测量过程中可能出现的各种误差源,建立陀螺安装误差、标定因子误差以及漂移模型,并对陀螺测量过程中可能出现的各种误差进行在轨补偿,为卫星姿态确定和校正提供丰富的姿态测量信息,以确保姿态测量器件长期在轨工作精度.采用该算法对哈尔滨工业大学"试验卫星一号"遥测数据进行复算和校核,结果与实际飞行数据吻合,验证了该在轨标定算法的有效性和可靠性.     

光纤陀螺在动态自主定向系统中的应用

本文基于采用对地球自转角速率的北向分量在光纤陀螺上的输出进行正弦调制的办法,提出了一种新型的非机械陀螺定向系统.该系统通过对光纤陀螺的正弦输出信号进行数据采样及处理,利用最小二乘算法对正弦输出信号进行参数估计,计算出角速率输出的初始相位,从而确定出地球表面被测点子午面的真北方向,即系统的基准方位.同时,通过与光纤陀螺对称放置的加速度计可以测量出台面倾斜误差,可对光纤陀螺的数据输出量进行补偿,大大提高了系统的定向精度.该系统尤其适合军事领域应用的需要.     

基于扩展卡尔曼滤波的两轮机器人姿态估计

针对两轮自平衡机器人惯性传感器存在误差的问题,提出基于扩展卡尔曼滤波的方法进行补偿,从而实现机器人姿态的最优估计.利用实验获得的惯性传感器误差特性,采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘迭代法拟合数据,从而建立机器人导航用惯性传感器陀螺仪和加速度计误差的数学模型,并对误差进行标定.采用扩展卡尔曼滤波将传感器的数据进行融合并对误差进行补偿,得到机器人姿态的最优估计.将滤波后的模型应用到两轮自平衡机器人系统,实验结果表明改进后的系统误差得到了有效的抑制,从而验证了采用低成本的惯性传感器进行机器人的姿态估计是有效可行的.