空间稳定系统加速度计在线标校

三轴加速度计是惯性导航系统的核心元件之一,其误差对导航精度具有重要影响。提出一种适用于空间稳定系统的加速度计在线标校方法。在三轴加速度计十二系数误差模型基础上,推导比力的模误差与加速度计误差系数之间的关系式。设计一个五维静态Kalman滤波器进行加速度计组合误差系数的在线标定,并讨论了加速度计组合误差的补偿方法。计算机仿真和多组试验结果表明:采用所提方法,空间稳定系统加速度计误差的标校精度达到1×10-5g量级,所用加速度计的长期稳定性优于1.5×10-5g,对实现高精度导航具有实用价值。     

空间稳定惯性导航系统参数的姿态误差标校法

为提高空间稳定惯性导航系统的姿态精度,利用姿态误差进行系统级参数标定和校准.首先,给出了姿态误差模型,考虑陀螺漂移、加速度计误差、壳体翻滚失准角、安装误差和框架角零偏的影响;接着,利用姿态误差模型进行可辨识性讨论和分析,总结出能分离的参数和标定方法,并据此设计试验方案.获得姿态误差后,结合最小二乘法和姿态误差模型进行系统级参数标定和校准,结果表明,参数标定误差小于15％的姿态精度指标,校准后,纵横摇角和航向角精度提高了60％和40％.     

基于静电悬浮转子的硅微陀螺技术

设计了一种转子采用五自由度静电悬浮的微机械陀螺。微陀螺基于玻璃-硅-玻璃键合的三明治结构、环形转子、体硅工艺、电容式位移检测方案;采用公共电极施加高频激励信号,基于隔离网络和频分复用的方法实现检测电极与加力电极的复用以简化陀螺结构;通过有源静电悬浮系统约束环形转子沿五自由度的运动,并提供足够的支承刚度;转子的转速控制基于三相可变电容式电机驱动方式,借助于检测转子与定子旋转电极的电容变化获得转子速度以实现转速闭环控制。目前已加工出基于深反应离子刻蚀工艺的微结构,采用基于DSP的数字控制器实现了环形转子的五自由度稳定悬浮。     

四环空间稳定平台姿态角的解算

不同于当地水平稳定系统,空间稳定系统中的姿态角信号不能够由平台框架角直接测量,而必须经过一系列计算才能够产生。为指导四环空间稳定平台的姿态角解算,在坐标变换的基础上,推导了平台姿态角的解算方程,设计了姿态角解算中的关键系统—高精度平台框架角测量系统。在此基础上,给出了姿态角解算的算法流程。系统测试结果表明,该方法能够正确解算四环空间稳定平台惯导系统的姿态角,在采用精准的陀螺漂移模型并引入外速度及高度阻尼后,姿态计算的数据处理误差可以控制在20″以内,能够满足高精度惯性导航系统的需要。     

基于温度变化Fourier展开的惯导航向效应补偿

航向效应对高精度空间稳定平台式惯性导航系统具有致命的影响。根据系统变航向导航试验数据,分析了变航向引起温度及平台漂移变化的作用机理,讨论了平台漂移变化与温度变化的相关性,进而提出基于温度变化Fourier展开的航向效应补偿方法。采用滑动最小二乘拟合导航误差的方法提取平台常值漂移的变化,并以此为观测量标定平台漂移的温度系数。最后,利用多组变航向试验数据对所述补偿方法进行验证,结果表明:平台常值漂移变化与温度变化基波分量的幅值具有强相关性,该补偿方法可将温度变化引起的航向效应误差降低40%~90%,具有较强的工程应用潜力。     

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下可以实现极高的分辨率。设计了一种采用玻璃-硅-玻璃"三明治"结构、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。     

壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法

为了提高空间稳定惯性导航系统的姿态角测量精度,建立了壳体翻滚失准角模型,给出了从壳体翻滚失准角幅值和初始相位到当地水平坐标系下的姿态转换矩阵的传递规律.利用静态下平台运动学方程中壳体翻滚失准角与框架角的定量关系,进行了壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法仿真,结果表明模型系数估计精度是足够的.针对实验系统,经过模型补偿,姿态角计算误差峰峰值小于0.5′.     

两自由度并联机器人控制系统设计

针对机电装配、医药包装等行业自动化抓取和放置实际应用的需求,设计了一种采用直线伺服驱动技术的两自由度高速并联机器人。首先进行了机器人的机械结构设计,并且通过运动学分析,结合运用蒙特卡洛法与几何法求解出并联机器人的工作空间;其次采用MCU+CPLD(STM32F103+MaxⅡ)的双控制架构,根据工作空间结构在MCU中设计出高效的运动轨迹生成算法,并在CPLD中运用DDS技术将伺服运动参数转换成脉冲经一级差分后输出到伺服驱动器。在双控制器的通信方面合理利用CPLD中的状态机提出了双级数据缓冲方式,使得MCU写与CPLD读交错进行,可以实现数据的无缝刷新。最后进行了并联机器人系统样机的制作与调试,分析结果表明所研制的机器人控制系统能够使机器人快速抓放金属小球,实现稳定可靠运行。     

船用惯导系统姿态角微分估计算法

针对船用惯性导航系统,为提高姿态角微分估计精度,总结了实用的微分算法:滑动线性回归器、最佳差分法、5点回归、抛物线拟合、无滞后抛物线拟合和Kalman滤波器,推导了各方法对应的滤波器模型、幅值衰减特性和相位畸变特性,利用以上特性提出了设计微分滤波器的原则,并通过动态试验验证了以上理论,提出了组合最佳差分和Kalman滤波器的姿态角速率估计算法,其姿态角速率精度约为0.1421(°)/s,收敛时间为0.685 s,不仅具有很好的精度,并且有很好的收敛特性.