基于Hopkinson杆和人工神经网络的三轴冲击力传感器同步解耦标定方法

三分量冲击力载荷的同步激励与输入输出间的精准建模是三轴冲击力传感器标定所面临的主要挑战。为了实现对三轴冲击力传感器的有效标定,使其能够准确测量空间中的三维冲击力载荷。首先,基于Hopkinson杆与矢量分解原理建立了一种高幅值（104 N量级）、窄脉宽（10?4 s量级）可计量三分量冲击力载荷的同步激励方法,实现了对三轴冲击力传感器的同步加载。然后,基于最小二乘原理与矩阵微分构建了三轴冲击力传感器的线性标定模型,并通过改变子弹结构与冲击气压揭示了线性解耦标定模型中传感器主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数并非固定常数而均与冲击力载荷脉冲构型（幅值、脉宽）相关的冲击特性。最后,将能够反映载荷构型信息的传感器各轴输出电压脉冲的幅值与脉宽作为影响因素,并以神经元的形式添加到人工神经网络（artificial neural network, ANN）的输入层,建立了基于ANN的三轴冲击力传感器输出电压与输入载荷间的代理模型,实现了数据驱动的三轴冲击力传感器非线性解耦标定。结果表明,相对最小二乘模型,ANN标定精度更高,采用ANN进行三轴冲击力传感器标定具有可行性和有效性。     

精密离心机的惯性组合加速度计的参数标定方法

为了实现应用精密离心机对捷联惯导系统不拆分整体标定时各加速度计误差模型系数进行精确辨识,分析了可能影响加速度计标定精度的离心机误差源进而建立了相应的坐标系.在考虑各加速度计与反转平台轴线距离的情况下,应用齐次变换法计算了各加速度计各轴实际的比力输入,结合给定的加速度计误差模型,设计了一种可辨识误差模型中全部二阶误差模型系数的测试方法.仿真结果表明,该方法经修正离心机误差后可以有效地提高所有误差模型系数的标定精度,并能给出各加速度计与反转平台轴线的距离.仿真还分析了离心机误差对标定精度的影响,结果表明:离心机误差项主要影响1号加速度计 KF、KP、KPP 的标定精度,而对于 KII、KIO 的标定无影响;另外主要影响2号加速度计 KF,KI,KII 的标定精度,以及3号加速度计 KF、KO 的标定精度.     

薄壁圆筒壳初始几何缺陷不确定性量化的极大熵方法

针对薄壁圆筒壳结构轴压屈曲载荷的缺陷敏感性以及真实几何缺陷的不确定性,提出一种基于实测缺陷数据和极大熵原理的初始缺陷建模与屈曲载荷预测方法。首先,将初始几何缺陷视为二维随机场,并利用实测缺陷数据和Karhunen-Loève展开法将初始缺陷的随机场建模转化为随机向量的建模;其次,利用极大熵方法确定随机向量的概率分布;最后,基于所构建的初始缺陷随机模型,利用MCMC抽样方法和确定性屈曲分析方法,进行随机屈曲分析并给出基于可靠度的屈曲载荷折减因子。数值算例表明,与直接假设随机场相关结构的方法相比,本文方法的结果是对薄壁圆筒壳屈曲载荷的一个更无偏估计。     

利用线性模型估计的传感器优化布置算法

提出了一种基于线性模型估计的传感器布置算法.首先根据线性模型估计理论,将待监测的目标模态振型视为线性模型的设计矩阵;然后利用奇异值分解的算法,将设计矩阵分解,根据分解的前几个左奇异向量来计算各个自由度对于目标模态振型的贡献;用迭代算法来求出最优的传感器布置方案;最后,用两个算例表明该方法的有效性.     

基于区间的不确定多目标优化方法研究

基于非线性区间优化,提出了一种不确定多目标优化方法.基于区间序关系和区间可能度,把不确定多目标的目标函数和约束转化为确定性的目标函数和确定性的约束.对于复杂的工程优化问题,为了提高效率,采用拉丁方试验设计方法,构建响应面近似模型,并基于近似模型进行不确定多目标优化,从而形成了非线性区间优化方法与近似模型相结合的高效不确定多目标优化方法.数值算例表明了该方法的有效性和工程实用性.     

加速度计在精密离心机上的标定方法与误差分析

为了提高加速度计非线性误差系数在离心机上的标定精度,应对离心机的误差源进行准确地分析和有效地分离。首先,通过分析双轴离心机的误差源建立了相应的坐标系,利用齐次变换法推导了加速度计在离心机上的精确比力输入并建立了加速度计的标定模型。其次,分析了相应误差项对加速度计零偏、标度因子和非线性误差项系数的标定影响,设计了加速度计在离心机上标定时的误差分离方法。最后,通过实验对加速度计的误差模型系数进行了辨识。结果表明,该方法能够准确分离出失准角误差和偏心误差,非线性误差系数的标定不确定度量级为10~(-4),能够有效提高加速度计的标定精度。     

基于主成分分析的结构不确定性建模与传播研究

基于主成分分析提出一种新的结构不确定性建模方法。首先,对结构不确定性参数的样本数据进行主成分分析,获取正交化的特征向量;其次,以特征向量方向为新坐标系,将样本数据向其投影;最后,计算新坐标系下样本的边界值,并建立相应的非概率区间模型,从而实现结构参数不确定性建模。基于主成分分析建立的不确定性模型相对紧凑,且在建模的同时能将相关参数转换为互不相关参数,使得不确定性传播问题可以便捷高效求解。两个算例及与传统区间模型和平行六面体模型的不确定性传播比较,验证了本文方法的正确性和有效性。     

基于小波变换的MIMU随机误差建模

微机电惯性传感器的输出具有噪声大、漂移强的特性,因此必须建立合理的随机误差模型,以便使用滤波算法进行补偿,减小其对系统精度的影响。本文使用艾伦方差分析法分析了ADI公司的MIMU——ADIS16355的静态输出信号,指出按照自相关特性,可以将微机电惯性传感器的随机误差分为白噪声成份和有色噪声成份,并基于此提出了基于小波变换的噪声分离预处理和AR时间序列建模算法的微机电惯性传感器随机误差复合建模方法。使用该算法对ADI公司的微机电惯性测量单元ADIS16355进行了随机误差建模,得到了该MIMU的AR时间序列随机误差模型。仿真结果表明,相较于传统的一阶马尔科夫近似随机误差模型,基于小波变换的AR时间序列随机误差建模方法能够有效滤除白噪声对于时间序列分析建模的影响,获得精度更高的随机误差模型。     

基于转台误差隔离的捷联惯导系统尺寸效应参数标定

针对捷联惯导系统尺寸效应参数标定问题,提出了一种基于转台误差隔离的改进标定方法。先标定出捷联惯导系统中加速度计间的相对位置关系,再基于尺寸效应误差最小原则,对载体坐标系原点位置进行优化,得出尺寸效应参数。克服了传统分立式标定方法的一些不足,从原理上降低了标定对转台的依赖。对于陀螺零偏稳定性优于0.005°/h,加速度计零偏稳定性优于2×10~(-5) g的捷联惯导系统:尺寸效应参数标定重复性小于0.01 mm(转速60°/s);在摇摆条件下(幅度30°,频率0.15 Hz),4000 s纯惯性导航平均定位误差由补偿前的3100 m以上减小到补偿后的150 m以内。     

加速度计的全组合标定方法

阐述了在重力场上用全组合法标定单加速度计的方法,并且推导了加速度计全组合标定法测试原理。这种方法剔出了测试设备的确定性角位置误差对加速度计误差模型系数标定精度的影响,提高了加速度计的标定精度。结合上述的理论分析,对某型号加速度计进行了实际测试和误差分析,实验结果证明本方法对于提高加速度计标定精度是非常有效的。     

混合式光纤陀螺惯导系统在线自主标定

混合式光纤陀螺惯导系统IMU的安装误差、光纤陀螺的漂移及标度因数等参数会随着时间发生变化,对系统误差产生影响,使系统在使用一段时间之后精度发生变化,因而需要重新标定。在混合式系统中,通过台体旋转调制,惯性元件常值漂移误差对系统的影响得到抑制,但安装误差和标度因数误差对系统的影响无法得到完全调制,这些误差会与地速及旋转角速率耦合,引起锯齿形速度误差,降低了系统的各项性能。针对混合式惯导系统,建立了IMU误差模型,设计出一种在线自主标定方法,并进行了可观性分析。该方法采用"速度+位置"匹配,对惯导系统30项相关误差项进行在线标定。系统实验结果表明,系统级在线标定参数较分立式标定参数在导航定位精度上提高了半个数量级。     

Improving strain-measurement accuracy when using shunt calibrations

It is conventional practice to consider shunt calibration of a strain-gage bridge in a manner which can result in erroneous tension-strain measurements. For strains from 1 percent to 10 percent as encountered increasingly in today’s structural materials and composites, the measured tension strains can be significantly lower than the actual strain. These errors are eliminated by using the method of determining ‘equivalent strains’ which is presented here. Shunt-calibration output is equated separately to tension-and compression-strain outputs to determine the ‘equivalent strain’ to be used for the reduction of each. Equivalent-strain equations are given for the most commonly used bridge configurations. For the common quarter bridge, the relationship between positive strain and shunt-calibration resistance is found to be a simple linear relationship for all strain levels.     

小姿态导航平台射前快速自标定

为了实现某型导弹小姿态惯性导航平台射前自标定,分析并建立了精确实用的小姿态导航平台静态误差模型,设计了转动控制与测漂电路,充分利用射向条件和平台稳定性,实现导航平台在全装弹状态下自动转动、锁定和测漂,并以加速度计和陀螺输出作为开环观测量,结合误差模型分离出各误差系数。通过对各种误差进行综合仿真分析,得到标定系数的相对误差不超过4,其标定时间缩短为借助转台标定所需时间的40,满足了射前标定的精确性和快速性要求。方案在不改变现有装备的情况下,控制平台按照预设轨迹小角度旋转两次,仅分别在三个预设位置同时对三个陀螺进行测漂标定,适合实际导弹发射。     

Determination of the measuring position in laser-Doppler anemometry

The present paper is concerned with the determination of the measuring position of a laser-Doppler anemometer (LDA) relative to a wall. The proposed method is based on the finding that the output of a hot-wire anemometer increases when the wire, which is mounted in quiescent air parallel to the wall, is brought closer than 800 m to the wall. For given hot-wire anemometer parameters, the hot-wire anemometer output voltage depends on the wall material and the wire distance from the wall. After suitable calibration for the wall material of the test section, the anemometer reading in a test rig can be used to find the wire position. Moving the measuring volume of a LDA-system across the wire yields an output voltage variation of the LDA-photomultiplier showing a Gaussian shape. When the maximum output voltage is reached, the centre of the measuring control volume is located at the centre of the wire and, hence, the location of the LDA-measuring position is known. All position measurements for the LDA-system are then taken relative to this point using the scale of the LDA-traversing system. If optical effects of transparent test section walls are eliminated by employing refractive index matched liquids, there are other ways to find the measuring position of a laser-Doppler anemometer relative to a wall. One such method and its application to the study of the turbulent near wall flow in a pipe is described in this paper.     

基于遗传算法的加速度计免转台标定方法

针对现有的加速度计标定方法依赖于昂贵的仪器设备,导致标定成本高,提出一种低成本、操作简单的加速度计免转台标定方法。该方法通过对原始数据进行预处理,将标定问题转化为优化问题,采用遗传算法进行最优化求解得到补偿参数。通过对比试验得到:两种方法的标定相对误差在0.5%(标度因素)、3%(零偏);两种方法标定后通过加计姿态角提取的水平角误差在0.2°左右。结果表明,加速度计通过该方法经过补偿后,能够得到与传统转台标定方法相同数量级的测量精度,该方法可以有效替代传统标定方法,简化标定步骤,降低标定成本,具有重要的理论及使用价值。     

仪器柔度标定误差对两种压入测试方法的精度影响

针对目前最具代表性的两种压入测试方法:Oliver-Pharr方法和Ma方法,通过有限元数值模拟分析了仪器柔度标定误差对测试精度的影响.结果表明仪器柔度的标定精度直接影响压入测试结果的准确度,尤其是当材料较软且压入深度较大时更为显著;对同一材料,压入载荷越大,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差越大;在同一压入深度下,针对不同材料,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差差别不大;就测试方法而言,Ma方法具有比Oliver-Pharr方法更高的精度和更低的仪器柔度敏感性.     

Calibration of encoder indexing of a redundantly actuated parallel mechanism to eliminate contradicting control forces

This paper presents the kinematic calibration of a two degree-of-freedom redundantly actuated parallel mechanism (RAPM), with the aim of eliminating contradicting control forces (CCF). The kinematic errors in the RAPM induce CCFs, especially in the case of decentralized individual position control, which is the standard control method used in industrial applications. The encoder indexing errors of the actuated joints are known to be of strong influence on the CCFs. Therefore, it is believed that the CCFs will be eliminated if the encoder indexing errors are corrected. We proved this through experiments. We performed the calibration using a projection technique, wherein we projected tracking error terms onto orthogonal complementary terms of the constraint Jacobian between the independent joints and actuated joints. Using this projection technique, the effect of tracking error terms from the joint stiffness and external force is eliminated. During the calibration process, the tracking errors in the actuated joints are measured. Using these errors, we derived the optimal values of the encoder indexing error by minimizing the objective function. We verified the calibration result by comparing the CCFs measured before calibration with those measured after calibration, for the case of individual PID position control. Our results confirmed that the calibration procedure of encoder indexing errors successfully reduces the average norm value of CCFs from 366 N to 13 N.     

Volume self-calibration for 3D particle image velocimetry

Planar self-calibration methods have become standard for stereo PIV to correct misalignments between laser light sheet and calibration plane. Computing cross-correlation between images from camera 1 and 2 taken at the same time, non-zero disparity vectors indicate rotational and translational misalignments relative to the coordinate system defined by a calibration plate. This approach works well for thin light sheets but fails for extended volumes recorded in 3D-PTV or tomographic PIV experiments. Here it is primarily necessary to correct calibration errors leading to triangulation errors in 3D-PTV or in degraded tomographic volume reconstruction. Tomographic PIV requires calibration accuracies of a fraction of a pixel throughout the complete volume, which is difficult to achieve experimentally. A new volumetric self-calibration technique has been developed based on the computation of the 3D position of matching particles by triangulation as in 3D-PTV. The residual triangulation error (‘disparity’) is then used to correct the mapping functions for all cameras. A statistical clustering method suitable for dense particle images has been implemented to find correct disparity map peaks from true particle matches. Disparity maps from multiple recordings are summed for better statistics. This self-calibration scheme has been validated using several tomographic PIV experiments improving the vector quality significantly. The relevance for other 3D velocimetry methods is discussed.     

MEMS-IMU构型设计及惯性器件安装误差标定方法

提出一种由三只单轴MEMS陀螺仪和三只单芯片双轴6个加速度计构成的MEMS-IMU配置方案。针对该方案的特点,研究了基于重力参考矢量对MEMS惯性器件安装误差的标定方法。该方法的关键是利用同一安装平面内的两个加速度计测量矢量的叉乘矢量的方向代替MEMS陀螺敏感轴方向,利用两轴或三轴角位置转台标定MEMS-IMU中惯性器件的安装误差。分析了标定矩阵的求逆条件数,提出了3位置和6位置的标定,指出了多位置标定中转台姿态角度的选择范围。新型MEMS-IMU配置方案及安装误差标定方法可有效解决MEMS-IMU惯性器件安装误差的标定与补偿问题。     

惯性测量组件整体标定技术

研究了惯性测量组件中陀螺与加表的标度系数、零偏、安装耦合误差等的标定问题。建立了陀螺与加表的输入输出模型,提出了在三轴摇摆转台上利用六位置试验法对加表标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法;提出了在三轴摇摆转台上利用正负对称的多组速率试验法以及最小二乘法对陀螺标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法,以及利用六位置试验对陀螺与g有关量进行标定的方法。详细介绍了组件输出参数的测量方法并推导误差计算公式。理论分析表明,该方法可在三轴转台上通过位置与速率试验一次性标定出测量元件的相关误差,具有一定的工程应用价值。