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。     

远程遥测姿态控制系统设计

为全面测控飞行器姿态,设计了一种能实时监测、控制飞行器姿态倾角的远程遥测系统。采用FPGA进行中央逻辑控制,构建了智能变送模块。将上位机作为终端设备,结合步进电机24BYJ48-5V与双轴倾角传感器ROB100,完成步进电机闭环控制,实现-90°～+90°范围内任意倾角值的实时测量与控制,精度达0.5°。通过大量试验结果表明,该系统可靠性高,各项性能指标均满足项目需求。     

新型光纤光栅扭转传感器研究

报道了一种新型光纤光栅扭转传感器的基本原理和传感结构,推导了扭转测量的理论公式,该传感器的扭角与光纤光栅中心波长的变化呈线性关系.在±40°扭角范围内,技术上实现了灵敏度为10.715°/nm的扭转传感.     

基于TEDS接口的智能传感网络系统

为了扩展测试系统挂接传感器的数量,使不同类型传感器在配置时实现即插即用,提出了一种基于TEDS接口的智能传感网络系统;此网络系统采用温度传感器和倾角传感器分别对-55～+125 ℃环境温度和-90°～+90°的倾角进行实时测量;通过TEDS(Transducer Electronic Data Sheets)技术实现了传感器的智能化要求;传感器采集到的信号,经过FPGA进行相关的处理,通过RS485总线传输到总的网络适配器,网络适配器的控制单元通过USB接口上传给上位机;实验结果证明,温度测量精度达到0.1 ℃,倾角的测量精度达到0.5°,验证本系统的稳定性和可靠性。     

基于FPGA和霍尔效应的高精度数字式角度测量系统

转轴的角度是旋转机械工作时的一项重要参数,由此提出了一种新的高精度数字式角度测量系统,主要包括霍尔传感器、信号处理模块和数据处理模块,其中霍尔传感器将角度信号转化成两路具有相位差的电信号;信号处理模块将两路电信号经过整形后,采用高频脉冲插值计数的方法,获取两路电信号相位差内和周期内的脉冲总数;数据处理模块最终将脉冲数转化成角度值,并显示出来;通过实验验证,表明该数字式角度测量系统具有较高的测量精度,可达0.01°,并对实验结果进行了分析。     

基于M型分划丝的单线阵CCD直线度准直仪

为使直线度准直测量一次性自动完成 ,提出了一种结合M型分划丝 ,采用单线阵CCD器件 ,应用激光准直原理测量二维小位移和第三维小角度的全新方案 ,阐述了测量的基本原理、系统组成及硬件设计。实验表明 ,直线度准直仪在 70m距离内准直精度可达 13μm ,在± 2 0°测角范围内测角精度达 0 .7″。     

二维定心激光扫描器及其摆角测量系统的研制

简要介绍了一种二维定心偏转激光扫描器的工作原理和结构设计。对二维摆角的两种不同测量方式的优劣进行了比较,并详细介绍了采用光电位置传感器(PSD)实现摆角测量的系统,包括它的测量原理、光学系统构造和PSD后续信号处理电路。结果表明,所研制的二维定心激光扫描器摆角测量系统可以实现±7.5°的二维摆角和30°圆锥角的大范围扫描,其重复精度为0 05°,分辨率为0 01°。具有快速灵巧、实时性强、工作稳定、抗环境干扰能力强等优点。     

磁强计辅助MEMS惯性器件的新型数据融合算法

为实现载体姿态精确测量,设计了一种新型数据融合算法,用以替代传统的卡尔曼滤波器;首先,研究了陀螺仪、加速度、磁强计的姿态测量方法,通过试验分析测量误差分量,然后根据误差频域的差异性提出一种互补滤波器,并在二阶低通滤波器模型下推导出新型数据融合算法模型,最后,以FPGA为处理单元、MEMS惯性元件和磁罗盘为传感器单元开发一套小型姿态检测系统,进行可行性分析和精度估算;从载体的三维转动试验结果可以看出,新型融合算法测量值和卡尔曼滤波器输出值之差保持在±0.07°以内,并且不需要对传感器噪声特性精确标定;在运算时间方面,互补滤波器仅需360 μs,卡尔曼滤波器是它的3倍多,因此新型数据融合算法效率更高。     

基于CPLD的三维自准直小角度传感器设计

设计实现了一种基于CPLD和线阵CCD的三维自准直小角度传感器,采用七支620nm波长的LED组成的面光源,光通过乳白毛玻璃为分划板提供照明;并运用改进的测量算法,准确地算出偏转的角度。可极大地减少传感器光学部分的调试工作量,提高精度,降低成本。实验证明,在绕X、Y、Z轴转动±1°的范围内,静态误差优于40″;在不超过20°/s的转速下,动态误差不大于3′。     

激光非接触曲面面形传感器

提出一种用于空间自由曲面测量的激光非接触曲面面形传感器。该传感器结构简单，在光学原理上传感器的输出量与被测量成线性关系，接收物镜绕系统光轴３６０°接收目标面的漫射光，目标面的倾斜产生的影响很小，解决了困扰空间自由曲面测量中阴影效应、倾斜等问题。该传感器的测量范围为４ｍｍ，分辨率为２μｍ，当目标面（漫反射面和金属等镜面反射面）倾斜角为±８５°时，仍能保证２０μｍ的测量精度。     

Angle extended linear MEMS scanning system for 3D laser vision sensor

Scanning system is often considered as the most important part for 3D laser vision sensor. In this paper, we propose a method for the optical system design of angle extended linear MEMS scanning system, which has features of huge scanning degree, small beam divergence angle and small spot size for 3D laser vision sensor. The principle of design and theoretical formulas are derived strictly. With the help of software ZEMAX, a linear scanning optical system based on MEMS has been designed. Results show that the designed system can extend scanning angle from ±8° to ±26.5° with a divergence angle small than 3.5 mr, and the spot size is reduced for 4.545 times.     

基于视觉测量的飞行器舵面角位移传感器标定

提出一种基于计算机单目视觉的飞行器副翼、襟翼、方向舵和升降舵角位移传感器的非接触标定方法.用共面的两个特征圆组成一标定靶固定在飞行器舵面上,用一台定焦数码摄像机对标定靶拍照,获得特征圆数字图像.经图像分析确定特征圆圆心及直径在像面上的透视投影位置和长度,根据透视投影逆变换原理建立物和像空间坐标关系的解算模型,进而导出靶面平面方程.飞行器舵面角位移则由标定靶面的法线方向余弦来表示.仿真结果表明,该方法具有标定过程快速、简单和准确的特点.不需事先标定摄像机内外部参量,其标定准确度优于0.2°.     

基于MEMS传感器的风洞尾旋姿态测量研究

尾旋是飞机在失去控制后的一种极危险的飞行状态,陷入尾旋极易造成飞机的坠毁,在飞机研制过程中为了提高其机动性及抗尾旋能力,必须对这种极限飞行状态进行研究。在立式风洞中开展尾旋试验是目前效率最高,安全性最有保障的技术手段。试验测试的主要参数是飞机在尾旋及改出过程中的姿态角（包括俯仰角、偏航角和滚转角）。在此简要介绍了通过陀螺仪、加速度计和地磁计进行姿态数据融合的算法,以及采用了一种MEMS传感器进行尾旋姿态测量的试验技术,并且其姿态数据可由Zigbee无线数据模块实时传送到测量计算机。通过试验验证,该技术简单有效,不受现场环境限制,系统动态性能稳定可靠,角度测试精度为优于1°,满足了试验需求,提高了试验效率及数据质量。     

Design of three-dimensional imaging lidar optical system for large field of view scanning

Three-dimensional (3D) lidar has been widely used in various fields. The MEMS scanning system is one of its most important components, while the limitation of scanning angle is the main obstacle to improve the demerit for its application in various fields. In this paper, a folded large field of view scanning optical system is proposed. The structure and parameters of the system are determined by theoretical derivation of ray tracing. The optical design software Zemax is used to design the system. After optimization, the final structure performs well in collimation and beam expansion. The results show that the scan angle can be expanded from ±5° to ±26.5°, and finally the parallel light scanning is realized. The spot diagram at a distance of 100 mm from the exit surface shows that the maximum radius of the spot is 0.506 mm with a uniformly distributed spot. The maximum radius of the spot at 100 m is 19 cm, and the diffusion angle is less than 2 mrad. The energy concentration in the spot range is greater than 90% with a high system energy concentration, and the parallelism is good. This design overcomes the shortcoming of the small mechanical scanning angle of the MEMS lidar, and has good performance in collimation and beam expansion. It provides a design method for large-scale application of MEMS lidar.     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

偏振显示及椭圆偏振光测量实验

以单束正交线偏振光为光源,利用角向偏振显示器,采用CCD摄像机进行图像采集,利用Matlab软件进行图像处理,设计了一种由He-Ne激光器、角向偏振显示器组成的偏振光偏振方向显示系统,并研究了其角度特性.实验结果表明:系统在起偏器的起偏角分别为0°、90°、180°、270°、360°时,角向偏振显示器偏振显示角度的测量准确度分别为0.480°、0.168°、0.528°、0.421°、0.340°,测量精确度分别为0.208°、0.576°、0.660°、0.603°、0.466°,测量数据拟合曲线的线性相关系数为0.999.结合1/4波片,检偏器和分光比为50:50的分束器,构建了椭圆偏振光测量系统,完成了椭圆偏振光测量实验,椭圆率为0.198.     

适用于捷联惯导温度补偿的高精度测温系统

针对捷联惯导温度补偿的研究,设计了一种用铂电阻Pt1000作温度敏感器, ADS1148为信号调理和A/D转换的高精度双通道数字测温系统。采用高性能集成芯片、双恒流源式三线式配线法、比例输出结构和RC低通滤波器的设计,有效的简化了电路,增加了系统的抗干扰能力并减小了硬件误差;主控芯片采用MSP430单片机实现与ADS1148的通信和对上位机输出与温度数据相对应的16位数字量。试验结果表明该系统在捷联惯导温度补偿研究中所用的-40°C到60°C的温度范围内达到了0.002°C的分辨率。     

微剪切应力传感器的加工工艺

提出了一种感测单元不直接接触流场的微剪切应力传感器结构,详细阐述了其感测单元MEMS制作工艺。采用热氧化硅掩膜方法解决了硅深刻蚀的选择比问题;优化后的硅深刻蚀工艺参数:刻蚀功率1600 W、低频(LF)功率100 W,SF6流量360 cm3/min,C4F8流量300 cm3/min,O2流量300 cm3/min。采用Cr/Au掩膜,30 ℃恒温低浓度HF溶液解决了玻璃浅槽腐蚀深度控制问题;喷淋腐蚀和基片旋转等措施提高了玻璃浅槽腐蚀表面质量。采用上述MEMS工艺制作了微剪切应力传感器样品,样品测试结果表明:弹性悬梁长度和宽度误差均在2 m以内、玻璃浅槽深度误差在0.03 m以内、静态电容误差在0.2 pF以内,满足了设计要求。