基于时栅辅助的高精度惯性测量方法研究

在低成本、高精度惯性测量中,常采用惯性导航系统与外部卫星导航信息进行组合导航,以修正导航解算积分效应存在的累积误差,但外部卫星导航信息在桥隧等场合存在失效问题,无法持续保证高精度惯性测量。针对这一问题,文中提出一种基于时栅辅助的高精度惯性测量方法。利用时栅传感器同时输出高精度的位移和速度,由该信息经过变换形成量测矢量,通过建立卡尔曼滤波组合模型,估算出各导航参数的误差值,从而对姿态误差进行修正。实验研究表明:采用时栅辅助的惯性测量方法,不受外部辅助信号失效影响,其与GPS辅助惯性测量的对比实验中姿态精度误差优于0.015°。

基于惯性测量单元的旋挖钻机钻具姿态测量方法

为实时获取钻孔过程中钻具的姿态信息,提高机手掌握成孔垂直度,设计了一种基于惯性测量单元的钻具姿态测量方法。该方法采用三轴加速度计、磁力计和陀螺仪构成惯性测量单元,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,并采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法,有效降低振动等干扰信号的影响,提高钻具姿态解算的准确性。实验结果表明,该方法能够有效避免振动对动态测量的干扰,实现旋挖钻机姿态的准确测量,为旋挖钻机施工提供实时、准确的姿态监测手段,为桩基施工质量提供重要保障。

基于DirtNet与惯性测量单元的人体姿态估计

仅使用少量的惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit)进行人体姿态估计是一种非侵入性且经济的人体姿态估计方法,该方法主要面临的挑战是从带有噪声的IMU信号中精确估计人体姿态。为此,对人体姿态估计问题提出了一种仅使用6个IMU精确估计人体姿态的方法。1) 提出了一种双重信息保留注意力Transformer网络(DirtNet, Dual information retention transformer Network),它能够有效保留历史信息并通过注意整个序列的信息来获得更好的结果。2) 通过对加速度进行积分了获得了近似变化速度,并将其作为额外的输入通道以提高了人体姿态估计的精确度。3) 使用均匀滤波过滤和白噪声模拟的方法对合成的加速度进行了数据增强,以此来拟合真实的IMU数据并得到更好的训练结果。与之前的研究相比,改进后的方法有效提高了姿态估计的精确度。

基于激光诱导石墨烯的木制惯性测量单元

针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点,提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元,分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列,并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明:加速度方面,X轴灵敏度为0.006 m V/g,Y轴灵敏度为8.695×10^(-4)m V/g,Z轴灵敏度为0.200 m V/g;角加速度方面,X轴灵敏度为0.285 m V/(rad/s^(2)),绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 m V/(rad/s^(2)),绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 m V/(rad/s^(2))。与有限单元法仿真结果对比,实验测量误差在10%以内,且具有良好的重复测量精度。该惯性测量单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。

光纤陀螺惯性测量装置贮存寿命影响因素及分析方法

针对嫦娥六号光纤陀螺惯性测量装置,开展长期贮存寿命分析与实践工作,识别影响光纤陀螺惯性测量装置贮存寿命的因素,并提出一套基于自然贮存试验的多源信息融合寿命分析方法.通过嫦娥六号飞行试验结果表明,采取的贮存寿命分析方法和贮存措施有效,可作为后续光纤陀螺惯性测量装置单机贮存可靠性评估研究以及工程评定的辅助手段.

基于低成本惯性测量单元和力敏电阻的足部三维运动数据建模

目的设计一种基于低成本惯性测量单元和力敏电阻的便携式足部三维运动捕捉系统,探讨应用该系统评估裸足和穿鞋状态下足内小关节三维运动的可行性。方法该系统由数据采集、数据传输和数据处理部分组成。惯性测量单元用于足部小关节运动数据采集,力敏电阻用于检测足跟触地和足趾离地时间。所有数据通过无线局域网传输,数据处理由自主编写的宏程序完成。2024年1月至7月,2例健康成年女性穿戴该设备以自我感觉合适的速度在室内平地连续行走10 m。采用步态分析对受试者2进行行走一致性测试,并记录受试者1分别以裸足、穿两种护士鞋行走时,连续步态周期下第1跖骨相对于拇趾(Met-Ph)、中足相对于第1跖骨(Mid-Met)的背屈-跖屈、内收-外展和内旋-外旋运动曲线。结果该系统在行走时显示良好的测试一致性。Met-Ph和Mid-Met的背屈-跖屈、内收-外展和内旋-外旋活动范围在穿鞋时均较裸足时降低,使用带足弓支撑的鞋最低。结论本研究开发了一种低成本、便携式足部三维运动系统,可用于测量连续步态时足内小关节在裸足和穿鞋状态下的三维运动。

基于惯性测量单元的可穿戴脊柱运动学动态优化方法

目的脊柱运动监测可为疾病评估和康复训练等提供重要信息。然而,由于脊柱的多自由度和椎体的微小尺寸,精准的椎关节运动监测一般要求高精度的医学成像或者光学运动捕捉设备,如何便捷地在日常生活场景获取椎关节运动存在巨大挑战。方法本研究原创性地提出基于多个惯性测量单元(IMU)的可穿戴脊柱运动学求解算法,结合构建的全自由度脊柱肌骨模型,基于直接配点法、全局骨骼动力学平衡和最小机械能准则等精准求解椎体运动。采集了7名健康者的静止站立和动态脊柱三维旋转运动。通过在背部椎体上放置10个IMU,同时在IMU外侧贴附光学运动捕捉标记点,验证仿真得到的IMU标记点的位置,并对比了肌骨建模软件Open Sim中的常规逆向运动学IK方法(每帧基于最小二乘法优化姿态)的计算效果。结果优化方法精准预测了各胸腰椎关节运动,动态旋转与基于光标点的运动方案高度一致(皮尔逊相关系数达到0.94),仿真的IMU上附着的标记点位置与实际光学标记点位置平均误差为0.028 m;而相应常规IK方法的误差为0.039 m,并且结果中出现椎体的异常扭转。结论研究提出一种可穿戴的三维脊柱运动捕捉方法,无需专业的实验室环境和成像设备,对户外等多场景下大批量人群的脊柱健康评估具有重要的应用潜力。

基于MEMS的惯性测量组合设计与实现

随着MEMS技术的不断发展与成熟,低成本、安装体积小、中精度的惯性测量组合在实际应用中具有重要价值。该文设计了一种基于MEMS的惯性测量组合,该组合由微机械陀螺、加速度计、电源模块和电路板等组成,利用数字信号处理(digital signal processing,DSP)芯片对微机械陀螺和加速度计的信号进行采集,通过建立误差模型进行误差标定补偿,标定后的组合能够实时对外输出三轴角速度和加速度等传感器信息。经试验验证,该标定方法能够修正惯性测量组合的安装误差,精度指标可以满足实际使用需要。

飞行器关键功能单元惯性测量组合的识别

在分析飞行器装备历史故障数据的基础上,充分分析在飞行器装备长期储存和维修保障过程中,造成危害的主要因素。利用加权方法建立评估模型,对飞行器装备的主要功能单元进行重要度优先级排序。然后结合蒙特卡罗方法,通过统计分析识别出惯性测量组合为关键功能单元,为逐步实施飞行器状态维修提供参考意见。

不同位置惯性测量单元对坐站转移中下肢肌力的评估研究

目的坐站测试是简易的功能评估方法,过往研究多基于5次坐站时间进行下肢肌力评估,准确性较差。本研究将惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)应用于坐站测试中,旨在提出更加精准的坐站测试评估方法,并通过与运动捕捉系统的结果对比,来确定固定于身体不同部位的IMU对坐站转移中下肢肌力的评估差异。方法招募16名健康在读大学生,将两个IMU(XSENS DOT)固定在受试者胸骨和右侧大腿上1/3处,采用Kistler测力台和Qualisys运动捕捉系统同时采集5次坐站转移中的生物力学参数。研究选取的主要参数有:5次坐站转移时间、站起阶段的肌肉相对峰值功率。根据传感器的欧拉角进行坐站转移阶段划分并得到坐站转移时间。传感器估算的肌肉功率是由垂直方向上的自由加速度乘以其积分所得的速度和0.9倍体重得到。采用配对样本t检验和Person相关系数进行统计分析,显著性水平设为0.05。结果(1)与运动捕捉系统相比,胸骨处的IMU更能反映真实坐站转移时间,大腿处IMU估算时间显著减少(P<0.05)。(2)利用胸骨处IMU估算的坐站转移中的下肢肌肉功率与运动捕捉系统结合测力台的功率测量值相关性较好(r>0.7)。结论将IMU应用于坐站测试中可以提高坐站测试对下肢肌力的评估能力,未来有望将其应用于社区老年人群的下肢肌力筛查。

飞控系统四余度惯性测量系统的相关技术研究

本文针对直升机飞控系统应用特点,设计开发了一种惯性测量系统。采用开环光纤陀螺及加速度计组合的模式输出直升机的基本姿态信息,通过RS422总线与飞控系统进行通信。设计的惯性测量系统冗余度高,软件调试方便,且成本可控。应用结果表明,惯性测量系统输出的姿态信号可满足多种工况下飞控系统控制直升机的基本需求,且惯性测量系统运行稳定可靠,具有一定的实用性和推广价值。

GNSS与惯性测量技术的组合在不动产登记中的应用

介绍不动产调查测量的组成,阐述不动产调查测量技术,如GNSS技术、惯性测量技术,并从技术概述和装置组成两方面对惯性测量进场详细介绍,分析GNSS与惯性测量技术结合的优势。研究结果表明,GNSS与惯性测量技术结合不仅能够满足精度的要求,还能够准确地进行初始对准。

高旋弹用惯性测量系统多量程传感器组合设计

由于高旋武器弹药在初始时刻具有高转速和高加速度的特点,使半捷联MEMS惯性测量系统的减旋系统超调大,致使MEMS惯性传感器测得瞬时数据大,超出量程,影响数据分析与解算,提出一种适用于高旋弹用的多量程传感器组合设计,采用多量程的惯性传感器和MIMU组合将弹体各个飞行阶段的数据进行测量;用A/D转换器将其输出的模拟量转换为数字量,通过FPGA模拟通信口接收数据并存储在FLSAH中,实现对半捷联惯性测量系统的实时记录。通过高速飞行仿真转台试验验证:该设计能实时准确采集并存储弹体信息,对常规弹药的制导化具有很大的应用价值。

一种便携式惯性测量组件测试系统的设计

设计了一种新型惯性测量组件的测试系统,该系统是基于PXI总线一体机平台,采用了产品集成供电,优化测试线路设计,利用总线技术将产品的数字信号进行集中采集、分析,解析后的数据采用显性化的输出方式输出,为判断产品性能提供了试验平台。该系统采用便携式设计,能够在内、外场环境下对产品进行性能测试并提供合格判据,提高了产品的保障能力。

基于振动理论的微惯性测量元件

对基于振动理论的微型惯性测量元件 :半球谐振子陀螺仪、微机电系统惯性测量元件的原理、性能和研究现状作了分析 ,最后指出了惯性测量元件的发展方向。

飞行仿真环境中惯性测量单元建模

准确的惯性测量单元(IMU)模型对飞行仿真至关重要,模型的准确性直接影响仿真试验的可靠性。为了在飞行仿真试验中能够提供有效的角速度和线加速度数据,需要建立准确的惯性测量单元仿真模型。在推导陀螺和加速度计数学模型的基础上,提出了建立陀螺及加速度计的仿真模型方法。为提高模型准确性,考虑了IMU误差影响。通过模拟AD公司的MEMS器件测量转台角速度和线加速度的过程,结果表明IMU模型数据结果良好,很好地模拟了实际的IMU工作过程。

面向无人机的单芯片惯性测量组合

针对无人机对惯性测量组合的小尺寸、轻重量的需求,设计实现了芯体为1cm3的微小型单芯片的硅微惯性测量组合。论文提出了一种基于体硅深刻蚀—玻璃键合工艺的单芯片惯性测量组合结构,该结构集成了六个异构的单轴惯性器件,可实现运动载体的六自由度运动信息测量。单芯片惯性测量组合中的陀螺器件两个模态的的振动频率实现了较好的匹配,加速度计器件分辨率达到了0.93mg。测试结果表明该单芯片惯性测量组合有望实现高精度的惯性量测量,在无人机上有很好的应用前景。

基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统

采用GPS接收机及惯性测量单元构成列车组合定位系统,系统包括传感器输入层、故障检测与隔离层、数据融合层和输出层4个部分。给出GPS接收机、惯性测量单元等定位传感器的位置解算方法;设计采用H∞鲁棒滤波方法的数据融合算法;采用小波变换方法进行组合系统故障检测,确定故障隔离及系统重构策略。对列车组合定位系统进行现场测试和仿真验证结果表明:在复杂的列车运行环境及干扰条件下,该系统能够实现高精度高可靠性的列车定位;定位误差较采用传统的Kalman滤波方法更为稳定;组合系统能够有效实现故障检测并根据故障隔离策略重构系统,保证定位输出的连续性,保障系统安全;具有较高的适应性和实际应用价值。

一种微惯性测量单元标定补偿方法

在介绍微惯性测量单元组成与结构的基础上,根据MEMS惯性器件的输出特性,建立了微惯性测量单元中加速度计和陀螺仪的数学标定模型,提出并推导了一种适用于微惯性测量单元的标定方法,该方法可以得到微惯性测量单元中惯性传感器的零位、标度因数、安装误差系数及g值敏感项等33个参数;然后,具体介绍了通过加速度计重力场静态翻滚试验和陀螺仪恒角速率试验对MIMU中参数标定的方法和步骤,并对实验室自研的MIMU进行了标定;最后利用得到的标定参数对测试结果进行了误差分析与补偿;实验结果表明,该方法使MIMU的测量精度提高了1～2个数量级,能够满足姿态解算及导航计算的精度要求。

惯性测量系统零速修正的几种估计方法

—零速修正（ＺＵＰＴ）在惯性测量系统中占据着至关重要的地位，它是进行误差控制的一种廉价而有效的手段。进行零速修正的方法主要有实时卡尔曼滤波和曲线拟合法。本文对国内外常用的几种估计方法和原理进行了分析和比较，并在卡尔曼滤波和状态方程解曲线拟合的基础上提出一种新的估计方法—平滑估计法。它将给出更好的零速修正结果。最后，我们利用改装的，И—２１惯导系统在北京郊区一条测线上跑车的实测数据，给出了实际处理结果，并对各种方法进行了评估。