四旋翼飞行器姿态解算与滤波

四旋翼飞行器的运动控制关键在于对飞行过程中的实时姿态角控制。目前实时姿态角信息还不能直接测量出来。为了能利用已有的传感器数据解算出更准确的姿态角,通过物理实验详细分析了四旋翼飞行器姿态角的解算和滤波算法。首先,通过联立欧拉方向余弦矩阵与四元数矩阵,得到用四元数表达的姿态角表达式。然后,结合加速度计和磁强计实时测量的数据,分别采用互补滤波和卡尔曼滤波两种方法来补偿四元数结果,分别分析如何选取最佳参数,并对比分析了两种滤波方式的优缺点。在一定精度要求范围内,这两种滤波方式都能获得更加准确的姿态角,但是互补滤波相对卡尔曼滤波有一定的解算时延。因此在精度要求一般的系统中,这两种滤波方式都可以用来求解姿态角,卡尔曼滤波方法则更适于对实时性要求更高的系统。     

基于单目视觉和棋盘靶标的平面姿态测量方法EI北大核心CSCD

针对平面目标姿态测量问题,提出了一种基于棋盘靶标的单目视觉测量方法,设计安装简单,在保证测量精度的同时简化了测量过程。首先,基于棋盘靶标对摄像机进行标定;然后,利用单应性条件得到外参矩阵,并利用Givens矩阵对外参矩阵进行分解,求得姿态角;最后,在靶标任意安装的情况下,基于旋转矩阵约束条件研究了安装偏差的自标定方法。实验结果表明:距离3m时,在静态测量时垂直光轴方向姿态角的测量精度可达0.02°,其他两个姿态角的测量精度可达0.05°;动态测量时垂直光轴方向姿态角的测量精度可达0.1°,其他两个姿态角的测量精度可达0.5°。     

基于滚动时域估计的飞行器姿态估计及三轴磁强计在线校正

针对飞行器姿态估计以及三轴磁强计在线校正问题, 提出了一种实时滚动时域估计算法. 首先, 为了解决在卡尔曼滤波框架下系统约束不能显式求解的问题, 设计了滚动时域估计滤波算法. 该算法将飞行器姿态估计问题转化为优化问题, 显式求解四元数归一化性质, 缩小搜索空间的同时提高了搜索效率和精度. 其次, 滤波时域窗内应用高斯-牛顿迭代法求解最优状态估计值, 满足了实时性要求. 最后, 在没有增加系统状态维数的情况下, 在线求解了三轴磁强计校正参数, 保证了磁强计量测值以矢量形式输入系统. 仿真结果表明, 由于合理地利用了历史信息, 该方法精度较高, 且对初始误差、系统误差均不敏感, 具有一定鲁棒性.     

基于Kalman滤波算法的陀螺仪动态漂移补偿研究

应用MEMS陀螺仪测量人体手臂运动姿态时,针对陀螺仪受线加速度干扰导致测量姿态发散的问题,提出基于Kalman滤波算法的姿态误差补偿方法;该方法首先将陀螺仪采集到的角速度通过方向余弦算法解算得到姿态角,并将陀螺仪动态漂移造成的姿态角误差视为时变信号,通过建立姿态角漂移误差的状态方程及观测方程,应用卡尔曼滤波算法,实现对姿态角漂移误差的估计,最终达到对陀螺仪动态漂移误差的补偿;实验与仿真结果表明,应用该算法能够有效的抑制线加速度干扰导致的陀螺仪测量的姿态发散,适用于陀螺仪对人体手臂运动姿态的测量。     

基于扩展卡尔曼滤波的吊钩姿态估计技术研究 

针对吊钩运动不定且易受大风、雾气等影响其作业效率问题,提出并实现基于MEMS传感器的吊钩姿态估计系统。建立吊钩三维空间运动模型,消除吊钩扭转影响;通过四元数的扩展卡尔曼滤波算法,对MEMS陀螺仪、加速度计与磁强计进行数据融合,解算得到吊钩三维姿态、摆角与摆向;采用基于视觉检测的吊钩空间姿态为参考基准,对起重机吊钩进行姿态估计验证。实验结果表明：该系统能有效融合MEMS传感器数据,获得高精度的吊钩姿态,实现姿态的实时检测。     

光速处理的高精度光电混合相关探测图像运动位移

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.     

光电经纬仪姿态测量精度分析及室内评价方法

为了实现光电经纬仪姿态测量精度的室内测试和评价,介绍了光电经纬仪姿态测量方法,依据蒙特卡罗方法对测量站的姿态测量误差源进行了分析,得出姿态测量精度的主要影响因素,进而提出了一种室内姿态测量精度检测方法。基于外场理论弹道、目标姿态以及测量站站址,通过逆姿态测量理论计算得到姿态测量原始数据,再将姿态测量原始数据输入姿态测量设备,通过比较理论目标姿态和姿态测量设备给出的目标姿态,得到姿态测量设备的姿态测量精度。依据该方法,对某型号姿态测量设备进行了姿态测量精度检测。通过实验可得到该姿态测量设备的姿态测量精度,即航向角测量误差不大于1.9°,俯仰角测量误差不大于0.4°。     

基于灭点理论的目标姿态角单站测量

提出了一种基于灭点理论的目标姿态角单站测量方法,利用单台光测设备的参数信息和目标在图像上的灭点位置计算目标特征直线的方向,从而获得目标的姿态信息。同时给出了灭点精度评价指标,可作为姿态测量精度的评价标准和加权融合时的权重因子。通过模拟实验和实物实验验证了方法的可行性和准确性。该方法与中轴线法测量偏差均值为0.2,表明所给出的方法对类柱状目标的姿态测量具有精度高、易于实现的特点。     

基于直线的运动目标相对位置姿态光学测量方法

针对运动目标的相对位置姿态测量问题,研究了一种基于目标上的两条不平行直线的光学测量方法。首先证明了使用特征光点确定目标位置姿态参数的条件;然后推导了基于直线的求取位置姿态的解析解;最后对使用该方法时的测量误差进行了仿真分析,同时给出了实际的测量误差。由于增加了带测量的测量基线,所以减少了位置姿态参数的测量精度对光学系统的依赖。实验结果表明,该方法可满足运动目标相对位置姿态的高精度测量的需求。     

基于MEMS传感器的姿态测量系统设计

为解决单目三维扫描装置摄像机标定完成后姿态不能改变的问题,针对单目三维扫描装置使用过程中的运动方式与特点,设计了一款基于 MEMS 传感器的姿态测量系统。采用四元数对姿态进行解算,通过三轴姿态确定(TRAID)算法构建量测模型,以无迹卡尔曼滤波(UKF)算法进行数据融合,能有效抑制姿态解算过程中陀螺仪的漂移问题。实验结果表明,利用该系统进行姿态测量时静态误差低于±0.2°,动态误差低于±1°,系统实时性好、适用于动态三维扫描系统。     

基于光学测量手段实时动态测量船体水平姿态

针对测量船传统实时水平测量方法精度较低（≥10.0″）的问题,引入了基于光学测量手段的动态实时船体水平姿态测量方法。采用＂光学编码精密测角＋惯性同步复示平台＋水平误差检测工具＂的设计模式,保证了跟踪的稳定性,提高了测量精度。实验结果表明：提出的方法可以提供比传统惯导系统更稳定、精度更高（纵摇5.37″,横摇3.60″）的船体水平姿态数据;可以作为一种普遍适用的运动载体精密水平测量监测手段,为运动载体实时提供高精度的水平基准信息,或用于运动载体惯导水平精度鉴定等。     

大尺寸工件视觉测量中的图像拼接方法

为提高大尺寸工件机器视觉测量精度,提出一种基于坐标变换的图像拼接方法,并给出该坐标变换方法的解算模型及求解方法,分析了局部测量误差、重叠区域公共点个数等对坐标变换精度的影响,得到了最佳拼接条件,并通过实验对其进行了验证。实验结果表明,该方法简单易行、结果可靠,对存在平移、旋转以及尺度缩放的图像都具有良好的效果,能有效地解决采用机器视觉进行大尺寸工件精确测量时的坐标归一化问题。     

激光干涉仪应用于无导轨测距的研究

本文提出了一种使用外差激光干涉仪实现无导轨测距的方法.该方法动态跟踪测量反射镜,使测量信号不中断,实现反射镜在一定范围内的非直线运动.这样,拥有双频激光干涉仪的用户,再添置一台比较简单的跟踪装置,即可用于无导轨测距,测量精度可远高于通用测距仪,为大型设备现场组装和安装提供了新方法.本文介绍了工作原理及实验情况.     

光学三维扫描仪光强传递函数的测量和校正

由于数字光栅投影仪的光强传递函数对于正弦投影条纹的质量以及相位测量精度起着至关重要的作用,本文提出了一种校正光学三维扫描仪光强传递函数的新方法。首先,分析了由于投影仪非线性响应引起的光栅谐波的相位测量误差;然后,通过投影一组不同灰度级的图像,并利用光功率计测出数字投影仪投出图像的亮度。接着,通过分析得到数字投影仪的非线性响应特性曲线,再经过数据处理,即可获得投影仪的光强传递函数;最后,对光强传递函数进行反函数逆变换,得到一个校正后的非正弦光栅,利用投影仪对该光栅的投影即可在被测物体表面上获得一个正弦光栅。数字投影仪对标准平板的测量结果表明,校正前平均误差为0.71 mm,校正后为0.55 mm;对于标准量块的测量,校正前的平均误差为0.62 mm,校正后为0.15 mm。上述结果表明,本文提出的方法可以减小由于系统非线性响应引起的测量误差并提高测量精度。     

背景散射对LRCS测量精度的影响分析

针对激光雷达散射截面的测量精度,指出测量中存在的背景散射问题。给出了激光雷达散射截面的测量方程,分析了地面、支撑架等背景散射对激光雷达散射截面测量精度影响的机理。根据测量方程和影响机理提出了敷设消光材料、多次比对测量、尺寸匹配等方法,并对敷设消光材料法进行了实验验证。实验表明：所用方法能够有效地减小背景散射,提高激光雷达散射截面的测量精度。     

多光谱真温快速反演方法

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍,它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度,人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。基于这样的背景,Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论,如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等。2005年,孙晓刚提出了二次测量法,二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种,其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题,并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度,但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解,这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。提出了新的多光谱真温快速反演方法,理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组,在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤,这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模,从而节省大量计算时间和软件资源。首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验,实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比,结果表明,对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,真温快速反演方法不仅保证了反演精度,而且相比于二次测量法减少了29%～64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。进行了0.574～0.914波段的实测对比实验,实验结果表明对于相同条件下,真温快速反演方法在保证精度的前提下,相比于二次测量法减少了42%～48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。实验证明真温快速反演方法可行,对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。     

基于低频压缩光的声频信号测量

低频信号测量在引力波探测、生物成像及磁场测量等方面具有重要的应用价值.本文利用非简并光学参量放大器获得了低频压缩态光场,在频率19 kHz处直接测到的压缩度为(7.1±0.1)dB;将产生的正交位相压缩态光场注入到马赫-曾德尔干涉仪中,实现了超越散粒噪声极限(3.0±0.4)dB的声频相位信号的测量.本实验的开展为低频压缩光的产生及基于低频压缩光的声频信号测量提供了一定技术支撑,并且此技术有望扩展到磁场、空间小位移等其他物理量的量子精密测量方案中.     

脉冲激光测距时间间隔测量技术

在脉冲激光测距系统中,为提高时间间隔测量的精度,采用插值法进行时间间隔测量。在分析传统的数字计数法测量原理与误差的基础上,重点研究了插值法。其测量对象针对传统数字计数法中待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔。测量采用电容充放电技术,把时间间隔加入到一个时间扩展模块(通常为一只高精度的电容),实现时间上的放大,再对放大后的时间进行测量,可提高时间测量的精度。利用该方法得到的时间间隔测量精度可达到100 ps,对应于1.5 cm的测距精度。     

高精度测量孔径光阑面积方法概述

一些辐射学和光度学的测量是以高精度测量精密光阑面积为基础的, 因此高精度测量孔径光阑的面积有着至关重要的意义. 目前高精度测量孔径光阑面积主要有以下两类方法: 接触法与非接触法, 几何法与有效面积法.本文首先对各种方法进行简单介绍, 并对非接触法、 几何法和有效面积法进行重点阐述.最后通过对比不同方法的测量精度、 实现难易程度以及测量设备成本情况, 得出结论: 几何法和有效面积法是非常有前景的.然而要进一步提高孔径光阑面积的测量精度, 稳定的激光光源、精准的移动平台是必不可少的. 关键词： 高精度测量 测量方法 光阑面积     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。