视觉导航中陀螺仪辅助特征点匹配算法

为了解决视觉导航中无摄像平台条件下特征点匹配不准确的问题,提出了一种利用导航系统中陀螺仪输出辅助进行特征点匹配的方法.构建了陀螺仪角速度输出与特征点坐标变化之间的关系,分别采用相关系数匹配和双向匹配进行特征点匹配和匹配检验,通过插值计算得到亚像素精度的匹配结果;分析了该方法的各种误差来源,并对陀螺仪输出误差和摄像机焦距误差的影响大小进行了分析.实验表明:相对于SIFT(Scale Invariant Feature Transform)方法,此处提出的匹配方法准确性有了较大提高,并且在原系统基础上不需要增加额外设备,具有较好的实用性.     

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

基于深层循环神经网络的陀螺仪降噪方法研究

陀螺仪固有的随机误差会随时间积累越来越大，循环神经网络作为一种有效处理时间序列信号的算法被广泛使用，然而传统的循环神经网络在处理陀螺仪产生的随机误差上无法解决长期依赖，容易出现梯度消失和梯度爆炸问题.为了获得精确的陀螺仪信号，本文基于循环神经网络变体的长短记忆网络和门循环单元的陀螺仪信号降噪算法，并创新性的将两种网络进行组合验证.文中先是通过Allan方差对陀螺仪随机误差进行误差分析，然后基于LSTM和GRU组合对陀螺仪输出信号进行补偿处理，结果表明LSTM结合GRU对陀螺仪的随机误差处理有明显改善，其中X、Y、Z轴方向陀螺仪的量化噪音、角度随机游走、零偏不稳定性、角速度游走和速度斜坡性能均有不同程度的提升.     

通过全局时间管理减少半球谐振陀螺组合角增量误差的方法

随着对姿态控制精度的日益提高,卫星对惯性单机的输出精度和误差控制的要求也在逐步提升。提出了半球谐振陀螺组合全局时间管理方案,陀螺仪数据生成时标志上的时间戳,可以有效地降低并量化半球谐振陀螺组合输出的角增量与系统控制之间的时延误差,提高上级系统的角速度精度。     

一种惯导系统快速对准模型和方法

从控制论的观点探讨了实现惯性导航系统(INS)快速对准及标定的途径及方法.通过引入李雅普诺夫变换,论证了SINS(Strapdown Inertial Navigation System)模型与GINS(Gimbaled Inertial Navigation System)模型的等价关系;通过基于物理本质的相似变换,提出了用伪状态来代替真实状态,从而使INS的可观测状态和不可观测状态之间动态解耦,得到了INS的最佳完全可观测子系统模型;通过对INS可观测子系统模型的简化,提出了一种快速估计方位失准角和标定陀螺仪漂移误差的方法,该算法表明方位失准角和陀螺仪的漂移误差完全可从水平失准角速率中快速估计出来,而不必使用陀螺的输出信号.      

改进的内框架驱动式硅MEMS陀螺温度误差模型

温度误差是MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺仪的主要误差源之一,为了消除温度对内框架驱动式硅MEMS陀螺仪性能的影响,提出了一种改进的温度误差模型.基于硅材料的赛贝克(Seebeek)效应,结合表头温度变形,分析了陀螺仪零偏误差;利用温度引起的干扰力矩,分析了陀螺仪输出与比力及角加速度有关项误差;针对温度引起系统谐振频率的变化,分析了陀螺仪标度因数误差.试验结果表明:在温度变化过程中,比力引起的干扰力矩是导致陀螺仪温度误差的主要因素,验证了改进的温度误差模型的正确性,补偿后陀螺仪的零偏稳定性提高了53.75倍,标度因数精度提高了19.6倍,改进的温度误差模型也适用于其它MEMS陀螺仪.      

半球谐振子薄壁厚度不均匀性对陀螺精度的影响

针对半球谐振陀螺仪的工艺制造偏差,研究半球谐振子薄壁厚度不均匀对陀螺精度的影响,建立误差模型,分析误差机理．首先对谐振子进行应变分析,然后分析薄壳微元的受力情况,根据力和力矩平衡方程建立半球谐振子动力学方程,得出由于厚度不均匀造成的半球谐振陀螺仪角速率误差．研究结果表明其傅立叶展开式的1～3次谐波项对角速率误差无影响,而4次谐波有影响．为提高陀螺精度,对陀螺厚度不均匀加以平衡．     

一种二浮陀螺仪热仿真分析及试验验证

针对某卫星姿态控制系统中的重要测量部件二浮陀螺仪的精度及可靠性不断提高的要求,为了分析、掌握二浮陀螺仪的热设计及内部温度场分布对其精度和可靠性的影响,利用Ansys Fluent软件对二浮陀螺仪温度场进行仿真分析,得出其内部温度场分布情况,并与热真空试验数据进行比对,验证了二浮陀螺仪有限元模型及边界条件的准确性,根据仿真结果提出改善二浮陀螺仪热设计的优化措施.     

捷联式陀螺仪再平衡回路数字控制研究

针对模拟式再平衡回路在数字量输出和应用现代控制技术方面存在缺陷,提出了一种捷联式陀螺仪数字化再平衡回路的设计与实现方式.首先介绍捷联式陀螺仪再平衡回路的三种实现方式,提出设计与实现再平衡回路的方法;其次对整个回路建立数学模型,针对数字再平衡普遍存在的量化误差问题,采用基于特征模型的黄金分割自适应控制方法设计回路控制器;最后对整个回路进行仿真,验证数字式再平衡回路性能.仿真结果证实提出的回路实现方式能有效地提高捷联式陀螺仪的性能.     

半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型

为研究三自由度比力作用下半球型动压气浮轴承气膜变形对平台惯导中三浮陀螺仪输出的影响,提出了一种通过求解Reynolds方程来计算陀螺仪静态误差的数学模型。首先,在考虑气体稀薄效应条件下,针对三浮陀螺仪中的半球型动压气浮轴承给出对应的Reynolds润滑方程;然后,用有限差分法求解气膜压力场,并利用得到的载荷与转子位移计算陀螺仪静态误差;最终,通过回归分析,得到半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型。为简化回归分析的过程,引入干扰力矩与比力的周向夹角和径向干扰力矩作为中间参数,将三元回归分析问题转化为二元回归分析问题。计算结果表明:径向干扰力矩随着轴向比力的增大而增大,随着径向比力的增大呈现先增大后减小的趋势;干扰力矩在周向上超前比力1.35~1.55 rad。本文静态误差模型可预测300 m/s2以内任意方向比力作用下由转子位移所引起的陀螺仪静态误差。      

陀螺仪短周期性能测试方法研究

讨论了陀螺仪短周期重复性能的标定测试方法,即极轴翻滚试验方法。该方法以地球极轴为基准,通过对一周过程的电流值进行离散傅立叶分析,经过相应的运算处理求出误差模型参数的估计值。试验结果表明,该方法辨识参数多,全面反映了陀螺仪性能,可以科学地考察陀螺仪的短周期重复性。     

基于轴角转换芯片AD2S1210的圆感应同步器信号处理方法研究

设计了一套用于圆感应同步器测角系统的信号处理算法,并详述了其过程。在测角系统对感应同步器信号的解算中,该方法仅通过对轴角转换芯片AD2S1210输出的数字信号进行纯软件分析和处理来获得角位置信号的整数值。从而简化了测角系统的硬件电路,提高了测角实时性。     

MEMS陀螺仪随机误差滤波

针对微机电系统(MEMS,Micro Electromechanical System)陀螺仪的随机漂移,基于小波多尺度分析,利用bior1.5小波对陀螺仪的随机漂移进行深度为4的分解,重建各尺度信号,采用时间序列方法对陀螺仪各尺度随机漂移进行建模,与传统时间序列方法建模相比,降低了模型的预测误差.并构建了模糊自适应Kalman滤波,利用模糊控制方法基于残差均值与方差差值对噪声方差阵进行实时调整,提高对重建后的各尺度信号随机噪声滤波效果.通过一系列对比实验证明,基于多尺度分析的模糊自适应Kalman滤波对于消除MEMS陀螺仪随机漂移误差作用明显.通过Allan方差分析,滤波后的数据各随机误差项均得到有效减小.     

基于FD的微小型姿态系统的姿态估计算法

分别利用微惯性测量单元(MIMU,Micro Inertial Measurement Unit)中的3个加速度计与3个陀螺仪对载体的姿态角进行估计,同时,搭建捷联惯性导航系统,建立姿态误差方程,使用卡尔曼滤波估计载体姿态误差角.构造残差及统计量,利用状态残差检验的故障检测方法,对载体的运动状态进行分离,判断加速度计估计出的姿态角的可用性,对姿态角进行融合.既保证了姿态估计系统的动态性能,又提高了估计精度.由于使用微电子机械系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)惯性器件,使得姿态估计系统的体积小、重量轻、造价低,特别适于微小型载体使用.      

圆柱壳体振动陀螺的力平衡控制

圆柱壳体振动陀螺是基于弹性驻波的哥氏效应测量载体角速度或角度的新型振动陀螺,具有精度高、体积小、结构简单、功耗低等优点,因此是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪。工作在力平衡模式的圆柱壳体振动陀螺输出角速率信息,噪声特性好、漂移误差易补偿、分辨率高。文章首先对力平衡模式下的频率跟踪回路、幅度控制回路、正交控制回路、力平衡控制回路等四大控制回路基本原理进行介绍。其中,频率跟踪回路与幅度控制回路一起构成陀螺主模态控制回路,负责系统的频率与幅度控制;正交控制回路与力平衡控制回路一起构成敏感模态的控制回路,负责系统正交误差的抑制、敏感模态的抑制以及角速率信息的提取。最后实现了力平衡模式下的陀螺闭环控制仿真。     

MEMS陀螺仪随机漂移仿真和试验

为了提高使用精度,研究了某微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)陀螺仪的随机漂移模型.应用时间序列分析方法对经过预处理的陀螺仪量测数据进行建模,提出采用状态扩增法设计Kalman滤波器.进行速率试验和摇摆试验,验证了在静态和恒定角速率条件下,滤波后的误差均值和标准差分别为滤波前的55%和12%.针对在摇摆运动时随着振幅的增加滤波效果下降的问题,设计了自适应Kalman滤波器,分析了衰减因子的选取原则.仿真结果表明:常值衰减因子法和自适应衰减因子法都能显著改善摇摆运动时的滤波效果,而自适应衰减因子法的精度更高.     

一种新型井眼轨迹连续测量方法

为实现井眼轨迹自主、高精度测量,提出了基于改进航向姿态参考系统的井眼轨迹测量方案,采用2个单自由度陀螺仪和3个加速度计组成惯性测量单元,由惯性测量单元输出数据计算姿态角,在此基础上利用放下井绳长度已知的特点,采用空间坐标积分的方法,计算井眼轨迹的三维位置信息.仿真结果表明:算法克服了惯性导航定位误差随时间发散的缺点,有很高的定位精度.所述方案减小了测斜仪的体积,降低了成本和功耗,适于井下应用.     

基于Rb-Xe体系核磁共振陀螺仪的Xe极化场测量方法

核磁共振陀螺仪具有小体积、高精度、低功耗等优点,是未来高精度微小型陀螺的主要发展方向之一。原子气室内 Xe 核自旋的极化是衡量原子气室性能的一个重要参数,直接影响陀螺的角随机游走, 因此准确快速地测量极化场有利于研制性能更优的原子气室。为了实现Rb-Xe体系的核磁共振陀螺仪快速、原位测量Xe的极化场,提出了利用Rb电子顺磁共振频移测量Xe极化场的方法。通过激励磁场翻转Xe极化场,推导了估算Xe极化场的简单公式。实验测量了在典型核磁共振陀螺仪装置中,10nT 量级的Xe极化场,结果与理论计算相符。表明这种方法能够快速有效的在核磁共振陀螺仪原位测量Xe的极化场。