基于CPLD的导弹惯性测量单元模拟器设计

介绍了采用CPLD器件开发的导弹用惯性测量单元（IMU）模拟器的设计原理及其实现方法。该模拟器采用软硬件相结合的方式，可模拟某型真实惯性测量单元（IMU）的接口与输出信号。通过软件控制硬件输出的脉冲个数，可模拟真实惯性测量单元在静态和动态工作时的状态。该模拟器具有硬件体积小、成本低、可连续长时使用等特点和可轻松修改模拟器硬件电路的优点。该模拟器在某型号空空导弹惯导系统仿真实验中已经得到实际应用。     

激光陀螺惯性测量单元系统级标定方法

传统的分立标定方法必须依靠高精度的转台提供姿态基准,不满足带减振器的惯性测量单元(IMU)和现场标定需求.首先建立了附加约束条件的陀螺和加速度计安装坐标系数学模型,根据陀螺和加速度计的输出误差方程,从惯性导航基本误差方程出发推导了惯性测量单元的系统级误差参数标定Kalman滤波模型,该模型包含了陀螺和加速度计零偏、比例因子、安装误差在内共21维标定误差状态变量,且仅以速度解算误差为观测量.依据所建立的模型和设计的标定路径对此系统级标定方法进行了仿真,仿真结果表明,陀螺和加速度计零偏估计精度分别优于0.005°/h和0.005 mg,安装误差估计精度优于1″,比例因子误差优于1ppm,满足高精度惯导系统的标定需求.     

基于MEMS惯性测量单元的多源信息自适应步数检测方法

针对基于MEMS惯性测量单元的行人航迹推算中步数检测方法仅利用单一的加速度信号检测精度较低的问题,提出一种多源信息自适应步数检测方法。该方法通过综合考虑人体运动过程中的加速度信号和角速度信号,根据不同的步态特征通过设定不同的自适应阈值条件实现步数的检测。虽然常规的峰值检测算法和固定阈值检测算法在单一步态下步数检测精度相对较高,但是对复杂运动状态下的步数检测精度很差,无法适用于真实的行人运动过程中步数的检测。然而多源信息自适应步数检测方法却能够在行人不同运动状态下精确检测步数,该方法明显优于常规的峰值检测方法和阈值检测方法。试验结果表明,本文提出的多源信息自适应阈值检测方法在行人不同运动状态下的步数检测精度可达98%以上。     

基于车轮安装惯性测量单元的车载组合导航

微电子机械系统惯性测量单元(MEMS-IMU)因其精度低且温度敏感性大,以及传统安装方式通常存在航向角不可观等原因,在车载导航和轮式机器人应用场景中表现为定位误差迅速累积。为解决上述问题,设计了一种将MEMS-IMU安装在载体车轮中心的导航方案。利用MEMS-IMU与车轮一起旋转的运动特性,提取出运动速度信息,并结合运动约束构造了三维速度观测信息,从而改善最终的组合导航性能。该方案从安装方式和算法设计层面取代了对里程计传感器的依赖。基于轮式机器人的实测结果表明,该方案的平面定位误差(均方根值)相比于传统安装MEMS-IMU的导航方案降低了58.53%,相比于传统MEMS-IMU和里程计组合导航方案降低了29.67%。     

一种激光陀螺惯性测量单元混合标定方法

针对采用低精度转台标定高精度激光陀螺惯性测量单元(IMU)的方法进行了研究。提出一种不依赖转台精度的静态解析与Kalman滤波估计混合的新型高精度标定方法。首先采用多位置静态解析法粗标定出IMU系统参数的低精度初始值;然后根据惯性导航算法基本误差方程,建立以IMU系统参数粗标定结果的残差为估计对象,以IMU速度误差为观测量的扩展Kalman滤波器,估计出系统参数残差,进一步修正粗标定结果。实验结果表明,该方法能够利用低精度转台获得与高精度转台相当的参数标定精度,降低了惯导系统的标定成本,满足高精度激光陀螺IMU的使用需求。     

基于Simulink和FlightGear软件的机载惯性测量单元仿真

包含动力学和运动学特性的机载IMU数据对于飞行对准等惯性系统算法研究具有重要意义。基于人在回路仿真的思想,设计了一种可包含完整飞机模型,不需要设计特定的自动驾驶仪,来实现任意机动下机载惯性测量单元仿真的方案。给出了惯性测量单元仿真模型,设计了基于Simulink、AeroSim模块集及FlightGear模拟飞行软件的新方案,实现了一个机载惯性测量单元的仿真模型,该模型采用飞行摇杆,由人实现对飞机的控制和机动飞行。仿真结果表明,采用该仿真方案,避免了复杂的自动驾驶仪设计,可以得到机动飞行条件下的机载惯性测量单元仿真数据和导航参数基准数据,方案切实可行。     

一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法

针对单轴旋转式捷联惯导系统中旋转轴方向惯性器件误差导致系统误差积累的问题,提出一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法,该方法不但可消除旋转轴垂直方向惯性器件误差对导航精度的影响,而且可减小旋转轴方向惯性器件误差引起的导航误差。基于单轴旋转调制原理,推导了非正交安装方法和正交安装方法的陀螺常值漂移和加速度计零偏在单轴旋转下引起的姿态误差,并对其进行分析,结果表明,在陀螺仪和加速度计常值漂移及零偏相同的情况下,非正交安装方法与正交安装方法相比,安装斜角为10°时72 h的定位误差降低约50%。     

光纤捷联惯性测量单元设计与实现

提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出。重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。系统通过转台实验进行了离线标定及在线补偿，测试结果表明：系统在功能、精度以及实时性等方面达到了预期的设计目标。     

斜置惯性测量单元的一体化标定技术

针对陀螺和加速度计均倾斜安装的低精度惯性测量单元,将三个 MEMS 加速度计组件和三个光纤陀螺组件分别考虑为一个整体,提出了一体化标定技术,将传统的零位、比例因子、安装误差等参数等效考虑为一个转换矩阵。根据实验得到的低精度斜置惯性测量单元的温度特性和非线性的经验公式,提出了补偿温度特性和非线性的一体化标定模型。利用速率转台和大理石平板在不同温度下进行测试,采用多元线性回归,得到了实用的角速度模型与加速度模型。实时补偿效果表明,当温度从 0℃到 24℃变化时,在±60(°)/s 转速内角速度误差小于 0.02 (°)/s,加速度误差小于 0.003g。     

光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现

本文介绍采用全数字闭环光纤陀螺组成的惯性测量单元的实现方法,采用DSP作为中央处理单元,完成三轴组合的时序控制、数字解调、滤波算法、波形合成及数据传输,并对三轴陀螺进行了全面的性能测试,测试结果表明惯性测量单元中每个陀螺零漂均小于0.5°/h,标度因数线性度＜200 ppm,达到了预期的设计要求.     

无陀螺惯性测量单元设计及仿真分析

在简述无陀螺惯性测量单元(GF-IMU)测量角速度的一般原理的基础上,提出了一种九加速度计的配置方案及其角速度解算方法.该算法利用加速度计输出的测量信息直接求得所测量的角速度的绝对值,没有积分运算引入的迭代误差,在一定程度上提高了载体角速度的解算精度.针对该九加速度计配置方案在解算载体角速度时,存在需要开方及符号误判等不足,提出一种解算角速度的微分算法,彻底消除解算过程中开方及符号判断带来的误差,提高了系统精度和实时性.仿真分析证明了方案的可行性和算法的有效性.     

一种高可靠捷联惯性测量单元布局

冗余传感器惯性测量单元通过传感器余度配置能够有效提高惯导系统的可靠性,同时对运动的重复测量为降低传感器测量误差和提高导航性能提供了必要条件。一种新型9传感器惯性测量单元,在实现9传感器最佳导航性能布局的同时,保障了每个方向的平动或者转动均可同时由5个传感器进行测量,使其可靠性等同于6套并行工作的单轴独立惯导系统。利用GLT(Generalized LikelihoodTest)方法和Monte Carlo模拟完成了该惯性测量单元故障检测、隔离性能研究。分析结果表明,该惯性测量单元的平均无故障时间为正十二面体6传感器惯性测量单元的1.4倍,为三轴正交配置惯性测量单元的3.8倍,传感器测量随机误差造成的影响分别降低13%和40%。因此,该布局特别适合于对长使用寿命、高安全性、高可用性有严格要求的应用领域。     

基于机器学习的人体虚拟惯性测量组件构建方法

利用人体特征辅助行人导航与外骨骼机器人控制是近年来导航与机器人领域中的热点研究方向。针对惯性测量组件足部安装方式在过载较高时无法实现有效测量的问题,研究了一种基于机器学习的人体虚拟惯性测量组件构建方法。该方法以同步采集安装于足部与下肢其他部位的惯性测量组件的输出作为数据样本,通过遗传算法改进的误差反向传播(GA-BP)神经网络实现虚拟惯性测量组件的构建。为进一步改善训练效果,采用基于步态相位检测方法对训练样本进行筛选。基于Anybody与MATLAB的联合仿真结果表明,本文所研究的方法可实现采用安装于髋关节附近位置的惯性测量组件数据,有效模拟足部位置的惯性测量组件数据。该方法对未经训练的步态也有一定的适应性。本文所研究的方法可进一步应用于行人精确定位与外骨骼机器人控制等领域。     

基于惯性测量的机载数字侧滑仪建模方法

机载侧滑仪是监测飞机在空中侧向受力的重要仪表。为解决机械侧滑仪精度无法量化的问题,提出了一种基于惯性测量的机载侧滑仪数字化建模方法,实现了飞行侧滑实时定量数字化显示。首先,从运动学出发导出了侧滑仪的运动理论表达式;进而,以惯性测量信号为输入,基于侧滑仪的动力学分析建立了侧滑仪的力学模型;最后,考虑工程实际对侧滑仪模型进行了简化,仅保留天向比力和侧向比力,并进一步结合实验确定了数字侧滑仪模型的关键参数摆长为10米。由于机械侧滑仪作为目视仪表难以量化,基于图像识别设计了验证实验,对机械侧滑仪和数字侧滑仪的输出进行定量对比,结果显示Pearson相关系数大于0.98。基于所提建模方法设计的数字侧滑仪可以及时准确地监测飞机侧向受力,该数字侧滑仪已在某型飞机上得到应用验证。     

基于双微机电惯性测量单元的船用自主水平姿态估计算法

针对船载自主水平姿态基准系统需求,提出了一种基于双微机电惯性测量单元的方案。其中一套固联船体,另一套为转位方式,以两套微机电惯性测量单元间相对速度、位置、姿态为观测约束,基于状态变换卡尔曼滤波实现不依靠外界辅助信息的自主式水平姿态测量算法,减弱了陀螺、加速度计零偏误差对水平姿态精度的影响。通过采用三轴角运动模拟转台进行了海况模拟实验验证。无舰船主惯导提供舰船运动信息情况下,虽然船的质心水平机动会影响水平姿态的绝对精度,但不会影响船上不同位置点之间的相对姿态测量精度;而当舰船上有高精度主惯导系统可提供速度参考时,即使有常值速度偏差和舒勒周期速度误差,仍可实现绝对姿态测量精度优于0.02°(1σ)。所提出的姿态测量方案可以在海况恶劣且无外界参考信息的情况下建立高性价比的全船统一姿态参考基准。     

一种低精度惯性测量单元的精确标定技术

低精度惯性测量单元的温度特性和非线性严重，为补偿光纤陀螺的温度特性和非线性，通过高低温、多速率的标定实验研究了光纤陀螺输出电压与温度、转速的关系，采用零偏和标度因数统一标定的思想提出了光纤陀螺分段模型；为补偿MEMS加速度计的温度特^陛，通过高低温位置实验研究了加速度计输出电压与温度、输入加速度的关系，提出了加速度计分段模型。采用逐步线性回归对以上模型进行了简化。实时补偿效果表明，当温度从-30℃到60℃变化时，在±60（°）／s转速内角速度误差基本小于0．02（°）／s，加速度误差小于0．005g．     

基于双轴旋转调制惯性测量的载体导航信息提取方法

针对双轴旋转调制惯导系统在旋转过程中无法直接提供载体角速度等导航信息的问题,提出了一种以标定惯性测量单元与内外框时空关系来精确解调原始旋转惯性测量数据的载体导航信息提取方法。首先,从基于旋转轴的内外框坐标系定义出发,提出了综合考量整圈所有角位置状态的惯性测量单元与内外转轴安装角标定方法。然后,利用转轴方向惯性测量角增量曲线和转位测量角增量曲线的相似平移关系推导了两者之间时间不同步误差的计算方法。进一步,基于滑动数据存储窗口,通过实时测角变化率计算和相邻转位测角外推实现了时间不同步误差的精确补偿。最后,采用基于高次谐波函数的精细化误差模型实现了转轴锥摆运动引起的测角不圆度误差精确标定。采集内外框旋转试验数据验证了所提方法的有效性,结果表明由原始惯性测量信息解调导致的载体航姿提取误差小于0.001°。     

一种高动态使用微惯性测量单元的实现

针对在振动和高速自旋条件下使用MIMU的问题,提出了一种具备高动态环境适应能力的MIMU设计。采用国产微加速度计和微陀螺作为微惯性传感器,由Honeywell HMC2003完成地磁场测量。采用力学仿真方法分析了随机振动对MIMU本体结构的影响,优化设计后,加速度功率谱密度抑制比达到98.9%;在高速自旋状态下,采用地磁场组合解算方法弥补轴向微陀螺量程饱和所产生的失效数据,300(°)/s以上角速率误差小于1(°)/s。经飞行试验验证,该设计保证了微惯性传感器在高动态环境下的正常工作。     

半球谐振陀螺星载惯性测量单元设计与实现

半球谐振陀螺是一种新型固体振动陀螺,具备功耗低、寿命长、稳定性高等特点,可完美适应卫星的姿态控制。针对微小卫星应用需求,利用半球谐振陀螺构建了星载惯性测量单元。首先,通过测量单元硬件结构设计,对其内部空间进行优化,并通过力学特性及力学试验仿真分析,验证其机械可靠性。其次,针对微小卫星应用环境优化半球谐振陀螺电路设计,提高惯性测量单元可靠性。最后,力学环境试验结果表明,三轴半球谐振陀螺的零偏稳定性均优于0.1°/h,敏感器件满足标度因数非线性度≤500ppm和零偏稳定性≤0.1°/h(1σ)的要求,实现了满足微小卫星应用需求的低成本、小体积、高可靠的半球谐振陀螺星载惯性测量单元。