一种舰船变形测量方法的研究与应用

以舰船船体结构、惯性导航系统、被试导航设备以及天文经纬仪为物理对象，提出了一套利用光学系统原理和计算机图像处理技术对联合基座进行水平变形测量的方法，解决了各设备因安装位置的不同所造成的安装基座间产生的水平变形量问题。     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

考虑旋转调制 INS 轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。     

摄像测量在平台微小晃动量测量中的应用方法研究

平台在三维空间中的微小晃动反映到二维像平面上就是像点的变化。本文提出基于摄像测量学的小角度测量方法。通过固连在平台上的CCD像机对惯性空间中静态基准的实时观测,解算得到由于平台微小晃动引起的像机姿态变化量;利用固连关系得到平台的小角度变化量,并通过静态和动态实验证明了该方法准确可行,在36′晃动幅度下,测量精度优于5″。该方法在保证精度前提下,可以降低系统硬件成本,可用于修正车载式光学测量设备的平台晃动误差,具有一定的理论研究意义和工程应用价值。     

激光陀螺组合体自主测量船体角变形的最优估计法

根据激光陀螺组合体测量的角增量计算得到的惯性姿态匹配测量方程,结合动态变形模型和静态变形模型,构建了船体角变形测量的最优滤波器,实现了角变形的最优估计。该方法将角变形和激光陀螺的随机漂移误差近似为平稳随机过程并分别构建滤波器,静态变形建模为白噪声驱动的一阶随机游走过程,动态变形建模为二阶马尔可夫平稳随机过程。通过角速度匹配测量方程进行了角变形的观测性分析得知:动态变形的估计精度与激光陀螺的测量精度相当,静态变形的估计精度依赖于船体摇摆频率和幅度,因此最优估计法的误差主要为静态角变形模型的估计误差。仿真结果表明,通过设置合适的静态角变形模型参数,该最优估计法测量角变形的误差小于10"。     

时间同步误差对船体角形变测量的影响

针对激光陀螺船体角形变测量,分析评估了两组激光陀螺组合体时间同步误差的影响,并提出了一种时间同步误差的在线估计算法.严格推导了考虑了时间同步误差的惯性姿态匹配方程,从方程可见,船体在波浪摇摆条件下时间同步误差将导致额外的Kalman滤波观测量波动误差,直接影响船体角形变测量精度.另一方面,基于新推导的惯性姿态匹配方程,在滤波状态中增加时间延迟变量,通过Kalman滤波能够在线估计时间延迟大小.基于实测远望船体姿态和角变形数据进行了仿真,仿真测试表明大的时间延迟将导致大的船体角形变测量误差,同时验证了时间延迟在线估计方法的有效性.     

时间同步误差对船体角形变测量的影响（英文）

针对激光陀螺船体角形变测量,分析评估了两组激光陀螺组合体时间同步误差的影响,并提出了一种时间同步误差的在线估计算法。严格推导了考虑了时间同步误差的惯性姿态匹配方程,从方程可见,船体在波浪摇摆条件下时间同步误差将导致额外的Kalman滤波观测量波动误差,直接影响船体角形变测量精度。另一方面,基于新推导的惯性姿态匹配方程,在滤波状态中增加时间延迟变量,通过Kalman滤波能够在线估计时间延迟大小。基于实测远望船体姿态和角变形数据进行了仿真,仿真测试表明大的时间延迟将导致大的船体角形变测量误差,同时验证了时间延迟在线估计方法的有效性。     

船体变形测量中激光陀螺误差的抑制机理

针对激光陀螺测量误差对船体自主变形测量精度的影响问题,在角速度匹配方程基础上提出了一种信号同步积分求解变形角的方法。根据船体角运动的周期特性,利用实测船体运动角速度信号产生时序同步信号,并与角速度匹配方程相乘得到新的测量方程,使得包含变形角信息的有用信号通过积分得到增强,而陀螺误差则被调制为随机信号,积分后被抑制,从而提高了测量方程的信噪比。仿真结果表明:当积分时间大于5 min时,变形角测量误差的均方根值(RMS)小于10",且随着积分时间的增加,测量精度将会提高。这种同步积分方法不需要对陀螺误差建模即可实现对船体变形的高精度测量,而且直观地解释了在激光陀螺误差存在条件下自主变形测量误差不随时间发散的原因。     

大型结构变形监测摄像测量研究进展

桥梁、隧道、舰船等大型结构变形的全场、高精度、动态测量,是其动态性能实验和质量监测的基本要求。摄像测量具有非接触、高精度、可测点多、实时动态测量等特点,在大型结构的变形监测方面有独特的优势。本文介绍了作者所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形监测方面的研究新成果和典型应用,包括提出位移传递像机串联网络摄像测量方法与技术,用于自动监测高速铁路、隧道等大型结构的路基沉降;研制天线基座变形摄像测量系统,实时、连续、长时间测量我国远望号测量船的天线基座变形等。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一.摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段.本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括:提出折线光路像机链摄像测量方法与技...     

基于光纤光栅技术的船体变形修正技术

为进一步优化航天测量船变形测量系统,提出了基于光纤Bragg光栅技术的应变误差测量方法。首先通过对测量船变形系统的结构和光路进行几何分析,建立了应变量与误差角之间的转换模型。然后基于光纤光栅技术设计了测量船变形系统的应变误差测量方案。由应变与误差角的转换公式得到,运用常用的Si425型光纤光栅解调仪,其理论测量精度可达0.01″。     

大型结构变形实时摄像测量方法

本文对实时测量大型结构静力变形实验中如何应用摄像测量方法展开研究。针对实时摄像测量的两个主要难题研究解决方法,即图像特征点自动提取和多像机图像特征点自动对应。通过在待测结构表面粘贴LED发光灯或使用激光光栅投影做为合作标志点,提出NNLOG(normalnized negative laplacian of gaussian)算子用于图像上合作标志点的实时提取与跟踪;根据多摄像机约束关系,构造对极几何约束代价函数,解决多像机图像特征点之间的对应问题。设计实现了精度实验,表明位移测量误差小于1mm,相对误差小于1%,基于本文方法实现的测量系统已应用于某型飞机静力变形实验。     

基于交互式多模型滤波的船体变形惯性测量方法

基于惯性测量单元的匹配滤波算法是测量船体变形的发展趋势,然而在实际航行中,船体变形模型参数是未知或存在不确定性,模型参数的这一特性对滤波估计结果影响较大。针对此问题,利用"速度+角速度"匹配算法分析了模型参数未知对滤波估计效果的影响,引入交互式多模型卡尔曼滤波方法,利用不同模型参数的似然函数进行概率分配。最后通过仿真对提出的方法进行了验证,结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,估计精度提高了5%~10%,收敛时间提高了1倍,动态变形角的收敛时间在10 s以内,静态变形角的收敛时间在5s以内,提高了系统的环境适应性。     

机载分布式POS传递对准建模与仿真

为了提高机载分布式POS中子POS的测量精度,补偿机翼的挠曲变形,提出了一种机载环境下传递对准方法。为验证该方法的有效性,搭建了机载分布式POS地面演示系统。针对该地面演示系统,提出了运用ANSYS辅助力学建模的方法建立了模拟机翼杆挠曲运动模型,并将由机翼挠曲运动产生的挠曲变形角和挠曲变形角速度增广为卡尔曼滤波的状态变量。在此基础上,详细推导了考虑挠曲变形时姿态误差量测方程,设计了基于"速度+姿态"匹配方式的卡尔曼滤波器。仿真结果表明,采用该挠曲变形补偿方法进行传递对准,水平失准角精度优于3?,方位失准角精度优于5?。仿真结果验证了该方案的可行性,为机载分布式POS提供了工程应用参考。     

固连于可控旋转平台相机的外参标定

为了进行大视场角的测量任务,可以将相机安装在运动精确可控的平台上,以平台的姿态运动来扩展相机的视场角。相机相对于平台的位姿关系的精确标定是保证测量结果准确的前提。本文主要利用一维标志物体,根据成像关系,建立了外参标定的约束方程;发展了线性求解外参的方法,以及非线性优化的标定方法。为了克服线性法正交性差,以及非线性优化法不能求解平移向量的缺点,总结出了组合求解法,该方法可以应用于仅能够作旋转运动的平台。数值模拟和实验结果均表明姿态角的标定精度较高,而平移向量则对噪声十分敏感。最后分析了算法偶尔出现奇异的原因。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

一种改进的冲量测试装置及其数据处理方法

对摆锤式片炸药比冲量测试装置及其数据处理方法进行了改进。首先,在对机械结构进行了改进设计的基础上,利用光栅测试系统测量摆动角度,并解决了测试时波形失真的问题,提高了装置的精密性和稳定性。然后,采用该装置研究了阻尼随摆动幅度的变化规律,并用实测数据进行了验证;提出了片炸药比冲量测试时的最大摆角修正方法,并进行了试验对比研究。结果表明:改进后的装置及其数据处理方法能够更加准确地测量片炸药的比冲量。     

一种基于应变模态分析的舰船分布式挠曲姿态测量方法

针对舰船所处的恶劣环境，以及舰船导航和武器系统对姿态测量精度日益提高的要求，根据应变模态分析理论，建立了应变信息与姿态信息的变换关系，并提出了利用光纤Bragg光栅(FBG)传感器测量甲板的应变，求取由挠曲变形引起的姿态信息误差的方法。通过对简易模型的实验，验证了这种方法是有效的并且具有较高的精度。     

船用惯性系统试验安装标校与变形测量

船用惯性系统试验安装标校和变形测量是提高测量精度,保证试验质量的关键技术,因此在对设备的安装误差和船体变形造成的测量误差进行分析的基础上,重点阐述惯性系统试验零位对准和变形测量的相关理论和工程技术。