微机械惯性传感器检测平台的设计与应用

一种用于微机械惯性传感器研制与开发的检测平台,介绍电容式惯性传感器微电容信号的检测原理、该系统的总体结构、各个组成部分的工作原理及自动检测方法。     

磁方位修正MEMS矢量水声传感器研制

介绍了一种磁方位补偿微机电系统(MEMS)矢量水声传感器.采用电容原理MEMS技术构造内部振子,并与信号处理电路紧靠方式设计,可减小噪声干扰并抑制信号衰减.利用磁方位修正技术,对MEMS矢量水声传感器判定的方位进行修正,解决了单个矢量水声传感器定向精度不高问题.传感器完成了国家一级计量站标定和磁方位误差修正测试,测试结果验证了定向方法的可行性,矢量水声传感器可实现水下目标探测、定位及导航等任务.     

基于MEMS的精确计步算法的设计与实现

计步已经成为各种穿戴设备的基本功能,但较难实现对任意大小步长距离的精确计算,为此,设计了一种新型的计步器系统,系统硬件上采用了MPU6050传感器模块和CC2541蓝牙模块,并将传感器平置于鞋底.软件上设计了上位机,可接收MPU6050采集的足部运动数据,并计算加速度、实现坐标系变换.提出了一种脉冲提取的算法,算法能够分辨行走状态与静止状态,并提取行走状态下的加速度值,对加速度值采用积分原理计算单步步长.经测试,算法能够将任意距离步长的测量误差控制在3.4%以内.     

惯性行人导航系统传感器安装位置研究

传感器的安装位置直接影响着惯性行人导航系统的工作性能。因此有必要确定其最优的安装位置,针对安装于行人脚部的惯性传感器,在慢速、常速和快速三种行走速度下,分别采集脚尖、脚背、脚侧和脚跟四个安装位置的数据进行对比研究。首先针对加速度和角速度模值进行定性对比,其次提出四条件法进行零速区间检测,分别计算零速区间的加速度及角速度模值,定量对比这两个模值的平均值和标准差。之后计算零速区间平均单步误检率,定量对比四个安装位置的零速检测效果,综合定性和定量对比结果,得出脚跟和脚背是较优安装位置,而脚侧是较差安装位置的结论,并通过行走实验进行了验证,为惯性行人导航系统传感器安装位置的选择提供了依据。     

一种扭转谐振式MEMS电场传感器

提出了一种基于微机电系统(MEMS)的扭转谐振式电场传感器。该微型电场传感器的感应电极与屏蔽电极采用共面叉指结构,首次采用扭转谐振的工作方式,显著提高了微型电场传感器的灵敏度。介绍了传感器的工作原理、结构设计、有限元仿真及实验。实验结果表明:在0～50 kV/m电场范围内,该传感器的线性度为0. 14%,3个往返行程的总不确定度优于0. 43%。在增益电阻为100 MΩ的情况下,传感器灵敏度达到4. 55 mV/(kV/m),相对已有传感器灵敏度提高了1个数量级。     

基于惯性传感器的上肢位置跟踪

为辅助中风病人的康复训练,设计了一种手腕固定惯性测量单元的上肢位置跟踪方案.导航定位算法采用传统的捷联惯性导航解算算法,并在此基础上根据标准康复训练中手臂做屈伸运动时速度周期性为零的特征,引入零速修正技术(ZUPT).采用姿态检测最优算法检测零速区间,将此时惯性导航解算的速度作为量测值进行Kalman滤波,对系统的速度、姿态、位置、加速度计和陀螺仪常值零偏误差进行估计,将估计结果反馈以修正捷联惯性导航的累积误差.同时在Kalman滤波的基础上设计了固定区间RTS平滑算法,解决了零速修正引起的运动轨迹的突变问题.实验结果证明,该方案可以有效地实现上肢位置跟踪,在运动时间为108 s的情况下,定位误差为运动路程的0.089％.     

小量程MEMS电容式压力传感器的研究与发展

介绍了电容式传感器在小量程压力测量领域的优势和目前研制小量程MEMS电容式压力传感器的技术难点。从实现MEMS电容式传感器小量程压力测量的不同方法出发,详细论述了国内外的研究成果、关键技术及应用情况。最后分析总结了小量程MEMS电容式压力传感器的发展方向与挑战。     

基于UKF的MEMS传感器姿态测量系统

针对工业和民用领域对姿态测量的需求,提出了基于MEMS加速度计、陀螺仪和磁强计的姿态测量系统,并采用无先导卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)方法处理传感器数据.针对基于加速度计和磁强计的姿态测量方式在动态测量时不准确的问题和单独采用陀螺仪测量角度产生漂移的问题,设计了基于方向旋转矩阵的...     

用于行人导航算法评估的足部轨迹仿真研究

针对行人足部运动情况较为复杂,不利于建模仿真的问题,在分析行人步态周期的基础上,提出了一种简化的行人足部运动设计方案。该方案将一个完整的步态周期划分为抬脚、转向、摆动、落脚和支撑五个阶段,并通过对加速度和角速度的控制,实现了对步态周期中足部位置和姿态的运动模拟。最后,采用零速修正辅助的行人导航算法对综合了平坦地面行走、上楼和下楼的运动仿真数据进行了验证。结果表明该方案设计能够用于行人足部运动轨迹的仿真,为行人导航技术的研究提供了一种简便有效的方法。     

基于多目标遗传算法的Σ-ΔMEMS加速度计优化设计

针对单目标遗传算法设计优化高阶Σ-Δ微机电系统(Σ-ΔMEMS)加速度计时易出现的稳定性问题,提出了基于多目标遗传算法的MEMS加速度计环路滤波器优化设计方法.对三阶非限定性Σ-ΔMEMS加速度计系统,采用多目标遗传算法,将∞—范数和信噪比作为设计目标对其环路滤波器参数进行优化设计.结果表明:相比只针对信噪比进行优化的传统单目标遗传算法,多目标遗传算法在确保高信噪比的同时,提高了系统的相位裕度,使得最大稳定输入信号范围增幅超过1倍,增强了系统对MEMS敏感元件工艺误差的鲁棒性.     

行人惯性导航零速检测算法

在行人惯性导航中,零速检测是实现速度误差清零和导航误差估计的前提,有着重要的作用.针对行人运动过程中零速区间时间间隔短难以检测的问题,提出了一种基于人体脚部运动特征的零速检测算法,将步行运动抽象成了一个包含4个隐含状态与15个观测量的隐马尔可夫模型,并阐述了模型构建机理.利用Baum-Welch算法训练和优化模型参数,提高了检测准确率.实验结果表明:所提出的方法零速检测效果较好,且采用该方法的行人惯性导航系统,其定位误差约为行进距离的0.73％,定位精度较高.     

基于捷联惯导姿态的外测跟踪部位修正方法

为在外测数据处理中获取更高精度目标部位修正结果,解决已知目标几何尺寸难以精确修正的问题,提出采用捷联惯导系统姿态修正跟踪部位的方法.根据捷联惯导系统遥测四元数信息计算姿态旋转矩阵,利用外测处理中各个参照坐标系的相互关系,修正垂线偏差的影响,实现跟踪部位位置参数保精度修正.通过测试场景仿真计算,与常用速度矢量修正法进行比较、验证,结果表明姿态修正方法精确可行、结果正确,满足数据处理的精度要求和结果评定需要.     

现代军用MEMS惯性传感器技术进展

现代化军事需求小型惯性传感器。技术已成熟的惯性导航和制导系统包括机械陀螺、环形激光陀螺(RLGs)、光纤陀螺(FOGs)以及半球共振陀螺(HRGs)。现在主要用于军事的还有微机电系统(MEMS)陀螺仪和加速计。采用光子晶体光纤(PCFs)的干涉光纤陀螺(IFOGs),即PC—IFOGs。重点阐述MEMS/集成光(IO)波导惯性传感器技术进展。分析小型陀螺仪和加速计技术发展前景及在未来快速反应,精确打击中的作用。     

Tightly-coupled stereo vision-aided inertial navigation using feature-based motion sensors

A tightly-coupled stereo vision-aided inertial navigation system is proposed in this work, as a synergistic incorporation of vision with other sensors. In order to avoid loss of information possibly resulting by visual preprocessing, a set of feature-based motion sensors and an inertial measurement unit are directly fused together to estimate the vehicle state. Two alternative feature-based observation models are considered within the proposed fusion architecture. The first model uses the trifocal tensor to propagate feature points by homography, so as to express geometric constraints among three consecutive scenes. The second one is derived by using a rigid body motion model applied to three-dimensional (3D) reconstructed feature points. A kinematic model accounts for the vehicle motion, and a Sigma-Point Kalman filter is used to achieve a robust state estimation in the presence of non-linearities. The proposed formulation is derived for a general platform-independent 3D problem, and it is tested and demonstrated with a real dynamic indoor data-set alongside of a simulation experiment. Results show improved estimates than in the case of a classical visual odometry approach and of a loosely-coupled stereo vision-aided inertial navigation system, even in GPS (Global Positioning System)-denied conditions and when magnetometer measurements are not reliable.     

A framework for pedestrian comfort navigation using multi-modal environmental sensors

Environments significantly influence the sensation of pedestrians, while sensing and navigation technologies can help people improve their trip comfort. In this paper, we present an integrated framework, named NaviComf, which constructs pedestrian navigation systems to improve comfort in time varying environments taking into account the heterogeneous environmental factors. With NaviComf we aim to systematically provide solutions to the four key issues: (1) how to organize the huge amount of sensor data, (2) how to forecast future environmental information, (3) how to incorporate the heterogeneous environmental factors, and (4) how to select optimal paths in time varying environments. We have gathered sensor data of air temperature, relative humidity, and pedestrian congestion in real environments. We have also implemented a prototype system on the basis of the framework using the sensor data. Results of simulations and evaluations show that NaviComf can efficiently provide more comfortable paths as compared with the traditional navigation method.     

基于轨迹分析的行人异常行为识别

提出一种基于轨迹分段主题模型的异常行为检测方法。为了解决跟踪偏差引起的轨迹不连续问题,首先使用模糊聚类算法对所有的轨迹进行全局聚类,然后对每一类轨迹采用分段采样的方式对段内轨迹点使用主题模型LDA进行局部聚类;以最大概率的轨迹点作为视觉单词,每类轨迹表示成一系列视觉单词的集合,在此基础上建立局部隐马尔科夫模型HMM;最后通过轨迹匹配的方法进行异常轨迹识别。在CAVIAR数据库上的实验结果表明,该算法能识别多种异常行为,提高了异常行为检测的准确率。     

基于惯性传感器的手机手势识别

手势输入丰富了手机的实用性、便捷性与娱乐性,快速而精确地识别出手机当前的姿态是该种输入方式的核心内容。提出并比较了基于惯性传感器的手机姿态识别方法,并通过对一种手势动作的识别验证了其可行性。     

基于惯性传感器的行人室内定位算法

针对室内行人定位的运动特征和惯性器件MPU6050每次固定位置的水平差异所造成的定位精度降低的问题,提出了一种基于零偏置校正算法。利用惯性器件在行人静态时所测得的数据,将行人动态行走的数据减去静态时的均值数据,减小了水平位置误差。针对惯性器件本身的漂移误差在二重积分导航算法中因积累而导致定位不准确的问题,提出了一种基于改进零速度修正算法和频域积分算法。根据手机电子罗盘和惯性器件内置陀螺仪的优缺点,将其数据进行融合,由滑动均值滤波和角度补偿算法得到更准确的行人的航向角。将位移数据与方向数据进行结合得到行人运动轨迹,并进行仿真验证。实验结果表明:所提出的算法能够有效提高室内定位的精度。     

基于捷联惯导的采煤机定位系统研究

为了满足采煤机定位的实时性、自主性和精确性要求,设计了基于捷联惯导的采煤机定位系统。该系统采用LSM330芯片和GS1011模块构成惯导终端;将该惯导终端固定在采煤机上可测出采煤机的三轴加速度和三轴角速度,并将处理后的数据通过WiFi上传到井上监控中心;选用四元数法作为姿态更新算法,简单易行,计算量小。实验结果表明,该系统能准确捕捉目标的运动姿态,具有较高的定位精度和较强的实时性。     

基于微位移定位系统MEMS梳齿位移传感器的研究

MEMS硫齿位移传感器是一种基于MEMS技术电容理论的传感器,具有体积小、重量轻、性能稳定、功耗低和易于集成等特点.首先探讨了梳齿传感器的工作原理,随后介绍了使用梳齿传感器有效检测微动工作台位移的方法,并进行了结构失效和梳齿电极不平行失效的可靠性分析.通过采用这种传感器可以达到提高微位移定位平台系统的集成度、精度、分辨...