基于多星同步检测的惯导误差实时测量方法

针对目前利用单星分时测量方法检测惯性导航装备姿态误差存在的疑义,提出利用多星同步检测定位定向技术实现惯导姿态误差实时测量。对测量方案进行初步设计,重点介绍大视场多星定位定向技术的基本原理和数学模型。并对星体静态检测、动态检测和星图识别等关键技术进行理论分析计算,为提高惯性导航装备姿态误差实时测量精度提供了一种可行的方法。误差分析计算结果表明,静态条件下位置精度小于100m,满足测量要求。     

旋转短基线北斗双天线/MIMU定向方法

针对无人运载器的定向需求,提出一种旋转短基线北斗双天线/MIMU定向方法。首先,介绍了自主研制的旋转短基线北斗双天线/MIMU组合系统的硬件构成,该系统主要由旋转机构、北斗双天线、MIMU、导航计算机等组成。然后,给出了旋转MIMU定向算法、北斗双天线/MIMU组合系统扩展卡尔曼滤波方程和观测方程,以及组合系统定向解算步骤。该系统以北斗天线接收机的速度、位置和北斗卫星原始信息作为卡尔曼滤波器的观测量,经数据融合后解算出航向角和姿态角。最后,进行了室外动态和船载试验,以及双天线基线长度变化试验。试验结果表明:当基线长度为0.3 m时,该组合系统航向角误差小于1°,水平姿态角误差小于0.2°。     

基于微惯性/偏振视觉的组合定向方法

本文针对目前偏振视觉定向难以满足三维空间内运动水平姿态变化时的定向需求、动态适应性差以及微惯性系统漂移大的问题,提出了一种基于微惯性/偏振视觉的组合定向方法。首先,为了减少偏振测量噪声,利用标准大气Rayleigh散射模型,给出了一种基于大气偏振视觉图像的太阳矢量优化估计算法;其次推导了基于卡尔曼滤波的微惯性/偏振视觉组合定向算法,该算法利用微惯性信息对偏振视觉定向进行水平角补偿,可以获得三维空间内的运动姿态并且动态性能高;最后进行了飞行仿真与车载实验验证。实验结果表明,融合微惯性信息补偿水平姿态与组合滤波后,车载航向误差不随时间累积且均方根误差仅为0.75°,与偏振视觉定向相比,定向精度提升可达60%以上。同时在不增加偏振图像计算量的基础上,将定向输出频率从1 Hz提高至100 Hz,显著增强了偏振视觉定向的动态适应性,具有较大的应用前景。     

GPS载波相位差分技术实时测姿的研究与应用

从运动载体姿态测量实时性的要求出发，介绍了应用GPS相位差分技术，进行实时姿态测量系统的研究和开发，介绍了系统的设计思路和信息处理的基本过程，实现了载体姿态的实时测量，达到了要求的技术指标。该系统适用于静态姿态测量与定位和中、低动态载体的姿态测量与定位。     

基于SINS/GPS组合的低成本船用姿态确定系统

为了满足船用姿态确定系统的精度和成本要求,提出了基于低精度光纤陀螺捷联惯性系统与GPS双天线定向系统组合的姿态确定方案,建立了相应的组合姿态确定系统,设计并实现了姿态确定算法。通过静态试验和动态船载试验,验证了该组合姿态确定系统的可行性;试验结果表明系统在低成本的条件下具有较高的精度。     

基于单目视觉的位置姿态测量系统精度检校方法

针对高精度位置姿态测量系统的姿态检校问题,提出一种单目视觉检校方法。首先分析了合作靶标精度对单目视觉姿态测量精度的影响,利用合作靶标实现视觉高精度姿态测量;然后提出基于正交矢量和动态滤波的联合标定法,标定出靶标坐标系和惯性测量单元之间的转换矩阵关系;最终实现了具备高精度姿态精度的单目视觉检校系统。实验结果表明,单目视觉检校系统静态姿态误差均方根为2.1',动态姿态误差为4.4',可以为高精度位姿系统提供姿态精度检校。     

一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统实现

为满足长寿命卫星对高精度、高可靠、低功耗、轻重量的姿态测量系统的需求,构建了一种基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统。针对国产半球谐振陀螺和加速度计结构特点,建立了惯性器件配置结构,完成了系统的相关标定,开发了以四元数为基础的姿态算法,利用卡尔曼滤波技术,将惯性姿态测量系统与星敏感器进行组合,实现了工程样机设计。测试表明,在实验室环境下,静态姿态精度达到13.9″(峰值),动态姿态精度达到15.4″(峰值),所研制的工程样机的精度指标能够满足高精度卫星的使用要求。     

基于扩展卡尔曼滤波算法的船舶姿态监测预报系统设计（英文）

为提高船舶姿态监测预报系统的测量精度,设计加速度传感器和陀螺仪捷联的惯性导航系统,利用互补处理和反馈调节对传感器输出参数进行校正。为得到精度较高的预估数据,通过广义最小二乘法进行系统辨识建立船舶状态模型和矫正的传感器测量模型,由扩展的卡尔曼滤波器得到最优估计状态。同时设计闭环系统,进一步提高系统的测量精度和预估精度。此外,针对当前监测预报系统普遍存在的软件界面差、交互困难等缺点,设计姿态监测预报友好型界面,可3D动画实时显示船舶当前的运动姿态,并具有数据存储、分析、操作处理等功能。最后,通过实验对不同倾角变化率下实际姿态、测量姿态和预估姿态进行对比,结果表明所设计的姿态监测预报系统具有较高的监测精度和预估精度。     

基于低成本磁场和MEMS惯性传感器的姿态测定系统

在机器人、小型无人自主飞行器等严格限制成本、体积、功耗的应用场合,一套合适的姿态测定系统显的尤为重要。为此,提出了一种低成本的实时姿态决定系统,该系统由传感器模块和数字信号处理器(DSP)组成。传感器模块由一个三轴的磁罗盘和一个基于MEMS技术的惯性测量单元构成,文中对系统的软硬件设计进行了详细的论述。在此嵌入式平台上面,开发了一套基于四元数和扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法,对算法的原理进行了详细介绍。最后给出的实验结果显示此系统具有相当高的性能,姿态角误差的方差在0.02°以下。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。     

Direct measurement of fluid force on a particle in liquid by telemetry system

For real-time measurement of the fluid force acting on a particle which moves freely in liquid, we have made a “sensor particle” with a built-in wireless sensor. The sensor particle contains a 3-axis acceleration sensor, 3-axis magnetometer, microcomputer, wireless module and cells. The MEMS acceleration sensor detects the gravitational acceleration in addition to the dynamic acceleration of particle. In order to remove the gravity from acceleration signals, we applied the external magnetic field which is oriented in the same direction as the gravity field. The 3-axis magnetometer detects the direction of external magnetic field and consequently we can remove gravitational acceleration from the sensor signals with arbitrary attitude of particle. A preliminary experiment was performed for checking the accuracy of the measurement system. Firstly we measured the force acting on a settling particle toward a solid wall in liquid. The obtained signals of acceleration (force divided by mass) agrees well with the theoretical prediction of particle motion in liquid for each instant of time. The sensor particle also detects the lubrication force which is exerted on particle for a very short time when it comes close to the wall. Moreover, we applied our system to the gravitational settling of the particle assemblage and detected the fluid force acting on a particle in multi-particle system.     

石油钻井旋转导向实验转台测试系统设计

设计了一种实验转台测试系统,主要用于在实验室环境下验证石油钻井旋转导向工具可行性并测试其性能参数。提出了总体方案,设计并完成了系统的关键组成部分：两轴手动转台、合力测试仪、惯性测量模块、信号处理系统,完成了计算参数和姿态误差角测试实验。实验结果表明,所设计的各部分工作正常,满足系统的总体要求。这为将来石油钻井导向工具的井下实验打下很好的基础。     

Dynamic behaviors of the breather solutions for the AB system in fluid mechanics

Under investigation in this paper is the AB system, which describes marginally unstable baroclinic wave packets in geophysical fluids. Through symbolic computation, Lax pair and conservation laws are derived and the Darboux transformation is constructed for this system. Furthermore, three types of breathers on the continuous wave (cw) background are generated via the obtained Darboux transformation. The following contents are mainly discussed by figures plotted: (1) Modulation instability processes of the Akhmediev breathers in the presence of small perturbations; (2) Propagations characteristics of Ma solitons; (3) Dynamic features of the breathers evolving periodically along the straight line with a certain angle of z-axis and t-axis.     

2维各向异性弹性力学中的Stroh公式和某些不变量

本文简要综述了各向异性弹性体2维变形的Stroh公式。该公式数学上优美而应用上有力。它的最近进展使我们将已有的复数形式的解转变成实数形式,进而可去解决一些迄今尚未解出的问题。结果,发现了许多有趣的而在物理上难以预料的现象。例如,对于界面包含x_3轴的各向异性双介质体,如果线力和线位错都沿x_3轴,那末包含x_3轴的任意径向平面上的面拉力将不随径向平面的选择而变化。而且,在任何固定点上的应力与界面的方位无关。要揭示的其他一些不变性质是:双介质材料中的虚拟力,界面裂纹上的应力奇异,界面裂纹表面上的振荡,等等;另外,在具有一个有限裂纹,或一个椭圆孔,或一个刚性椭圆核的无穷大均匀介质中的某些应力和位移也是不变量。这些不变量的大部分尚未有它们的物理解释。在实数形式的解中,Barnett-Lothe张量常常出现。在绕x_3轴转动时,这些张量的分量的某些组合是不变的。这些组合将在本文中推导并列出。最后我们给出了某些各向异性弹性材料,它们的Barnett-Lothe张量是不变量,即这些张量的所有分量在绕x_3轴转动时是不变的。     

Dynamics analysis of a parallel hip joint simulator with four degree of freedoms (3R1T)

For a hip joint simulator with a 3SPS+1PS spatial parallel manipulator as the core module, a formulation based on the Kane equation was derived for the dynamic characteristics of the simulator from the kinematics analysis of the model. The relationships of the velocities and accelerations between the moving platform and active branched-chains were deduced. The velocity and angular velocity components of the moving platform were served as the generalized velocities. And the dynamic model was established by obtaining the generalized active forces and inertial forces. Then the driving forces and powers of the active branched-chains and the constraint reaction forces of the intermediate branched-chain were simulated in the numerical method. The results showed that the active driving forces of the branched-chains reached their respective maximum when the moving platform rotated into 0.13^° around X-axis, 2^° around Y-axis, and 18^° around Z-axis. And the intermediate branched-chain needed to balance the driving and inertia forces, as well as support the moving platform and load the force of hydraulic cylinder. Therefore, the maximum constraint reaction force of the intermediate branched-chain is along the Z-axis. The research works provided a theoretical basis for the design of the active branched-chains driving system and the structural parameters of the intermediate branched-chain, as well as for the control system.     

静电悬浮系统的数字控制与实验研究

介绍了一种基于DSP的数字控制器的总体结构及控制器算法的设计。在此基础上构建了三轴静电悬浮系统，并通过仿真和实验讨论了不同采样频率对系统性能的影响。实验结果表明，系统带宽达到750Hz，谐振峰小于3dB，刚度等各项性能均满足静电悬浮系统的指标要求。     

三轴精密角振动台控制问题探讨

本文详细分析了三轴精密角振动台控制精度的影响因素，然后基于整周期谐波分析法提出了补偿这些干扰的自学习控制方案。仿真结果表明，该控制系统能显著提高系统振动精度，满足设计要求。