微惯性仪表技术研究现状与进展

微惯性仪表是一类新型惯性仪表,也是当前研究热点之一。回顾了微机电加速度计及微机电陀螺仪的发展,比较了振动式微陀螺、转子式微陀螺及介质类微陀螺的结构特点,介绍了微惯性仪表及由微惯性仪表组成的微惯性系统在民用领域和军事领域的应用,简要阐述了发展微惯性仪表当前需要解决的关键技术。

微光栅加速度计温度控制研究

微光栅加速度计凭借着极高灵敏度和分辨率等优势成为近几年的研究热点,但外界环境温度的变化会影响其输出精度。为优化其温度特性,提出了一种两级内外温控系统。通过介绍微光栅加速度计的基本原理,分析了由于半导体激光器和MEMS敏感芯片的温度特性对其造成的影响。针对加速度计设计了温控电路,对其搭载两级内外温控系统,使其工作温度保持恒定,最后对该系统进行了实验测试。实验结果表明:在该温控系统下,加速度计的工作温度控制精度可达±0.02℃。对于加速度计的噪声性能而言,在0.01~10 Hz频段,相较于未加温控系统的加速度计,整体信噪比提高了20 dB。

基于太阳能的可持续视觉传感微型系统

视觉传感需要消耗大量的能量,而微型系统中储存的能量通常无法支持视觉传感器在实际应用中的长期运行。针对这个问题,提出了一个重1.53 g的微型系统,它集成了视觉传感器、蓝牙和能量管理模块,可以实现实时图像检测、无线传输和可持续性工作。在室内20000 lx的照度下,本文将视觉系统的运行时间延长了42%,并且系统还提供了一种正常工作和充电交替进行的间歇运行模式。最后,系统的室外测试表明:该系统可以实现一个可持续的工作周期,包括白天持续运行,夜间进入关机模式和光照恢复时的冷启动。

基于惯导及水下声学辅助系统的AUV容错导航技术

由于GPS和无线电信号在水下衰减很快而无法使用，因此以惯性导航为核心，加以其它声学辅助导航设备的组合导航系统正适合水下航行器的使用环境。以捷联惯性系统／超短基线／多普勒测速仪／磁航向仪组合导航系统为研究对象，给出了联邦滤波结构，并利用X^2残差检测法诊断出子系统的故障并进行系统重构从而不影响系统性能，最后对组合系统进行了仿真，成功检测出了超短基线系统定位故障并及时进行了隔离。姿态误差和速度误差在故障发生和消失时刻由于系统重构有轻微跳动，其它时刻均保持较高精度，当故障消失时位置误差又恢复到正常量级（5～10m）。仿真结果表明，所提出的SINS／水下声学辅助设备组合导航系统能够提供水下航行器精确的速度、姿态及位置信息，并能够正确及时检测并隔离故障。

硅微机械陀螺自激驱动数字化技术

为了进一步增强硅微机械陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,提出了一种基于自激振荡原理,以现场可编程门阵列(FPGA)为主要数字信号处理平台的驱动电路。以陀螺仪驱动模态特性为出发点,分析了自激振荡原理对驱动电路的要求。分析并建立了驱动相位控制与驱动幅度控制模型,实现了频率测量-补偿算法控制驱动环路相位,PID控制算法控制环路幅度。实验结果表明,常温下驱动幅度控制精度达到1.5×10-5,并且能跟踪驱动模态谐振频率。由于采用了数字电路使得驱动幅度温度系数由原来模拟电路方案的7.69×10-5/℃降低到1.183×10-5/℃。相比传统模拟电路控制方案,本方案具有驱动精度高,温度适应性好的优点。

基于SINS/LBL紧组合的AUV水下导航定位技术

针对因水下环境的特殊性AUV难以实现精准导航的问题,设计了一种基于SINS/LBL紧组合的AUV水下导航定位系统。该系统具有定位精度高、鲁棒性好等优点,系统由SINS、LBL、DVL和MCP组成,根据LBL的TDOA定位原理建立了LBL斜距差模型,给出了SINS/LBL/DVL/MCP的状态方程和量测方程,利用集中kalman滤波器对组合导航系统进行最优估计。在相同的仿真条件下,对SINS/LBL松组合、紧组合进行了软件仿真,仿真结果表明:相对于松组合系统,基于SINS/LBL的紧组合系统导航精度更高,尤其是在由于AUV运动或受到外界干扰导致可用信号的水听器不足四个时,紧组合系统的可靠性和容错性更高。

基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验

为了有效控制硅微陀螺仪的驱动模态,采用基于数字锁相环的相位控制方案对驱动信号振动频率进行跟踪控制.首先,分析了硅微陀螺仪驱动模态的特点,提出了一种数字锁相环控制驱动信号频率的方法;其次,阐述了基于锁相环的硅微陀螺仪驱动模态闭环控制原理,并分析了锁相环频率控制的稳定性;然后,对锁相环控制的驱动模态频率变化和跟踪情况进行了仿真,验证了驱动频率动态跟踪特性;最后,设计了一种基于锁相环的FPGA数字电路控制方案,并制作成实际电路,同时,对硅微陀螺仪驱动模态的开环谐振频率驱动和闭环频率驱动进行了对比实验.结果表明,当温度在-40～60℃内变化时,该控制方案能够保证驱动频率时刻跟踪驱动模态谐振频率的变化,且跟踪相对误差为2.5×10-5.

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。

粒子群算法在惯性/地磁组合导航航迹规划中的应用

高效的航迹规划是水下运载器隐蔽航行的关键技术之一。结合水下航行器的地磁导航环境特征约束因素,建立了航迹代价评估模型,采用最短路径算法在约束区域内按路径长度的次序递增、迭代,规划出一条粗选航迹。在此基础上,采用粒子群优化算法将时间信息作为搜索空间的粒子,改进惯性权重值和编码方式,对粗选航迹进行优化,实现全局最优。仿真结果表明,粒子群优化算法缩小了搜索范围,提高了搜索效率,收敛更快,将适应度由49.211提高至43.304,所需代价更小,且所获取的航迹可以有效规避非适配区,保证了全局最优、局部最优。

硅微阵列陀螺仪的信号滤波技术

为了提高硅微陀螺仪的性能,基于四质量块结构形式,设计了一种全新的单芯片集成硅微阵列陀螺仪.根据Allan方差分析方法对漂移信号进行了研究,建立了系统的随机误差模型.利用冗余检测技术、信号差分技术、目标动态跟踪技术和粒子滤波算法构建了系统的两级动态滤波器,分析了系统的状态方程和观测方程,并对测量信号进行了滤波研究.实验结果表明:根据该动态滤波器模型,对于转动角速度为50(°)/s的动态滤波实验,原始信号的标准差由0.481 0(°)/s减小为0.214 9(°)/s,动态测量信号的信噪比得到了有效提高,而经过动态滤波后的漂移信号的零偏不稳定性与原始漂移信号相比提高了2.54倍.

硅微阵列陀螺仪闭环驱动控制技术研究

为了进一步提高硅微阵列陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,深入分析了硅微阵列陀螺仪的结构设计和闭环驱动控制技术。基于硅微阵列陀螺仪闭环驱动控制的特点,以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制平台,实现一种基于自激振荡原理的数字化闭环驱动电路。分析并建立了自激振荡与幅度控制的基本模型,基于Simulink实现了闭环自激驱动的仿真。实验结果表明,常温下驱动幅度控制精度达到9×10^(-5),并能有效跟踪驱动模态谐振频率。

基于小波神经网络的组合导航系统初始对准技术

针对SINS/GPS/MCP组合导航系统初始对准中GPS失锁时系统精度下降的问题,引入基于神经网络和小波技术的解决方案,将相关特征量经小波去噪后作为神经网络的训练样本.基于该方案建立了系统滤波模型,包括捷联惯性系统失准角、速度和位置误差方程以及速度航向匹配的状态方程和量测方程.为了验证该方案的有效性,分别对GPS失锁、加入神经网络修正和引入小波去噪技术3种情况进行了仿真,结果发现:神经网络修正可解决速度精度变差的问题;经小波去噪后对神经网络重新训练,各项指标都有所提高.可见,基于小波的神经网络方法可提高神经网络逼近模型的程度,进而提高对准精度.

极区间接横向惯性导航方法

针对极区经线收敛引起的以真北向作为航向参考的导航算法失效问题,在横向惯性导航方法的基础上,提出了一种以游移方位坐标系为导航坐标系的间接横向惯性导航方法,以寻求全球导航时算法的内在统一性,保证平台惯导平稳切换时的流畅性。在横向地球椭球模型下,推导了横向游移坐标编排,建立了误差模型,并进行了仿真分析,并给出了间接横向导航方法下的全球导航流程。结果表明,导航坐标系相同情况下指北编排与间接横向编排极区性能不同的本质原因在于游移角误差的不同;间接横向惯性导航方法能够满足极区导航与穿越极点航行要求,航向角误差小于0.1'/h。

基于弹载捷联惯性导航系统精确导航的双欧拉全姿态方法

垂直发射的地空导弹在大机动飞行时,其四元数法姿态角输出存在奇异性。为解决该问题,提出了正、反欧拉角微分方程切换的双欧拉全姿态解算方法。对正、反欧拉角微分方程进行了详细推导,论述了正、反欧拉角微分方程精华区与奇异区的倒置关系。在此基础上,建立了正、反欧拉角的转换公式。根据正欧拉角的俯仰角对正、反欧拉角无缝切换,有效解决了俯仰角在±90°附近时姿态奇异性问题。仿真和半物理试验的结果表明:双欧拉全姿态算法解算的实际姿态与理论姿态保持一致,在奇异点附近的姿态角仍能正常输出,未出现突变现象,该方法得出的导航精度比四元数法得出的导航精度提高了9.81%。

嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统

研制出基于FPGA和DSP的嵌入式GPS/MIMU/磁罗盘组合导航系统。该系统硬件由石英微机械陀螺仪、石英挠性加速度计、GPS接收机、数字磁罗盘和基于FPGA和DSP的高速导航计算机模块等组成。在该系统软件方面,采用圆锥误差补偿与划船误差补偿的现代捷联导航算法和含传感器噪声模型的18维扩展Kalman滤波器,并利用惯性传感器和MIMU导航信息对GPS和磁罗盘信号进行质量控制。经车载试验结果表明,该组合导航系统水平姿态误差小于0.2°,航向角误差小于0.3°,定位精度小于3m。

基于UKF的SINS/LBL水下AUV紧组合定位技术

EKF是SINS/LBL紧组合导航系统中常用的数据融合方式,但其泰勒线性化会带来截断误差,从而影响系统定位精度。本文主要研究了SINS/LBL紧组合系统量测方程的非线性对系统位置校正性能的影响,建立了SINS/LBL紧组合系统的EKF状态方程和量测方程,并详细推导了UKF滤波的非线性量测方程,为进一步简化计算量,使用卡尔曼滤波的一步状态预测方程等价代替UKF状态预测UT变换。最后的仿真结果表明UKF能明显改善位置项的定位精度,定位精度提高约15%~20%,所提出的UKF算法在SINS/LBL紧组合导航系统中应用效果较好,具有很强的实用性。

不同动态条件下组合导航系统的时间同步

基于不同精度的惯性测量组件和全球定位系统,以及不同运动条件下的GPS/捷联惯性导航系统组合导航系统,对于时间同步误差精度的要求也是不一样的。但目前大多数的时间同步方案对于不同精度和动态强度的对象都采取统一的补偿方法,没有做到具体问题具体分析,从而会产生硬件成本高或软件算法复杂的问题。为了在特定对象和使用环境的情况下寻找最适合、成本最低的组合导航系统时间同步方案,首先分析了时间同步误差对系统精度的影响,然后在低动态、中动态和高动态的情况下分别给出适合的硬件或软件同步方法(分别为方法 1、方法 2和方法 3),最后对于每种方案进行了跑车试验或软件仿真,结果证明在低动态和低系统精度的环境下,通过应用三种方法对于提高系统精度效果不明显;中动态环境下方法 2和方法 3较方法 1在姿态角和速度精度上提高了约50%,定位精度提高约20%;高动态下方法 3显示出了非常明显的效果,较方法 1在各项精度上提高超过70%。

基于鲁棒马氏距离统计量的多源融合抗差估计方法

为了有效抵御复杂多变城市环境下的全球卫星导航系统(GNSS)信号干扰、增强多源融合定位可靠性,提出一种基于鲁棒马氏距离的多源融合抗差估计方法。该方法在分析观测值故障传播特点以及典型方差膨胀抗差估计模型基础上,基于相邻新息序列构造鲁棒马氏距离检验统计量。历史新息的引入能够提高系统观测冗余,同时不同观测量间的新息交互增强了异常检验统计量的鲁棒性。根据鲁棒马氏距离的统计特性,给出抗差关键门限取值规则并分别结合两种典型加权策略自适应调节观测值噪声矩阵。利用典型城市峡谷环境下惯性导航系统(INS)/GNSS/激光雷达(LiDAR)/VINS多源融合车载数据进行相关实验,与现有方法相较,所提方法能够将三维均方根定位误差最低限制在3.37 m。通过对比不同组显著性水平下的定位结果,进一步说明所提方法在城市峡谷环境下定位的优越性。

基于熵值法赋权灰色关联决策的地形辅助导航适配区选择

传统地形辅助导航适配区选择主要根据某一个地形特征参数的大小决定,因此不可避免地存在对地形适配性评判的不全面性。为了克服传统方法的缺点,提出了一种基于熵值法赋权灰色关联决策的地形辅助导航适配区选择方法,该方法综合考虑了地形标准差、粗糙度、地形高度熵及相关系数对适配区选择的影响。首先,利用计算得到的各特征参数值构建灰色决策矩阵;其次,对决策矩阵进行极差变换以及归一化处理得到灰色关联判断矩阵;最后,采用熵值赋权法客观计算各决策属性的权重,得到地形适配性综合评价指标。仿真结果表明,在评价值高的区域进行地形辅助导航,其匹配误差将更小。

一种采用足部航姿参考和肩部航向参考的室内个人导航方法（英文）

为了解决传统足部航姿参考系统中航向信息可观性较差的问题,提出了一种采用足部航姿参考系统和肩部电子罗盘的室内个人导航方法。在这种模式下,肩部电子罗盘测量得到的航向信息被直接用于计算足部航姿参考系统的姿态转移矩阵。在此基础上,通过在行人在行走过程中足部处于静止状态时采用卡尔曼滤波器被用来限制惯性导航系统的误差漂移。实验结果显示,本文提出的方法平均位置误差与不使用肩部电子罗盘的方法相比降低了30%左右。