无人机电力巡检中光纤IMU数据采集系统设计

无人机电力巡检作为处理电力线路日常维护和应急处置的高效手段,已逐步取代传统的巡检方式而被广泛应用。为实现电力线路的安全巡检,针对无人机电力安全巡检的飞行平台和特殊环境,在此设计了一种光纤IMU数据采集系统,通过石英加速度计和光纤陀螺仪敏感载体的加速度和角速度信息,利用FPGA并行处理的特点及其丰富的I/O接口,实时采集其输出的原始脉冲数据,并利用多个数字温度传感器通过分布式网络点测试结构实现对光纤IMU多点温度信息的采集。最后将数据打包发送给上位机进行存储、分析和滤波等处理,从而计算出无人机电力巡检所需的位置、速度和姿态等信息,最终实现无人机电力线路的安全巡检工作。

直升机光纤陀螺IMU抗振设计及实时滤波方法

振动引起光纤陀螺(FOG,Fiber Optic Gyroscope)零偏误差,非线性、非高斯随机噪声及由其组成的惯性测量单元(IMU,Inertial Measurement Unit)非互易性解算误差,针对直升机航向姿态测量误差问题,提出了一种FOG IMU的机械减振与数据滤波相结合的振动抑制方法,建立了FOG IMU减振装置数学模型,通过优化设计实现线、角运动通道振动解耦,从物理上消除外界高频干扰振动源;研究实时小运算量、低时延数据滤波方法,抑制减振装置谐振干扰和惯性器件噪声,进而减小捷联解算非互易性误差.实验结果表明:采用该方法能有效地抑制外界干扰振动和系统噪声,保证FOG IMU工作稳定性和精度,为研制应用于直升机的高性能航姿导航信息与航向姿态参考系统奠定基础.

一种IMU全零偏快速标定方法

捷联惯导系统的测姿、测速及定位精度主要受IMU零偏的影响,显然,标定并补偿IMU零偏可提高系统的导航性能。传统的对准采用多位置、设定的机动增加可观测性来估计IMU零偏,但仍存在某些零偏不可估计,且滤波收敛过程需要较长时间的问题。针对该问题,借鉴解析粗对准捷联矩阵非正交、非单位化误差与北向、天向陀螺及天向加速度计零偏关系,提出了一种三位置IMU全零偏快速标定方法。分别将IMU三轴朝上采集2分钟静态数据,全过程仅需6分钟,可获得IMU全部零偏,此法较适用于外场零偏标定。仿真以及实际战术级IMU试验表明,该方法能快速有效地对IMU全部零偏进行标定,同时对准、纯惯性导航验证试验表明补偿标定零偏后获得更高对准精度及导航性能。

三轴一体IMU组件中光纤环热分析

对某型号三轴一体光纤陀螺捷联惯导系统建立有限元模型,从结构角度分析了惯性测量单元(IMU)中光源和加速度计等发热模块对光纤环温度场分布的影响。分析研究IMU组件在22℃常温稳态下的传热规律,表明光源与加速度计等热源所产生热量将不以传导方式在箱体与IMU台体之间传递,对流与辐射传热对IMU温度分布影响较大;光源为主要热源,是造成Y,Z轴光纤环温度分布不均匀的主要原因;加速度计发热将影响X轴光纤环温度分布。通过+60℃高温瞬态热分析,研究光纤环在极端环境下温度变化规律,表明系统在极端环境下随着温度上升而温度梯度递减,光纤环瞬态温差增大。稳态和瞬态热分析可指导惯导系统IMU部分结构热设计的改进。

一种光纤IMU的双轴非定向标定方法

针对光纤惯性组件确定性误差的特性,建立了标定的数学模型。由于光纤组件标度因数的非线性,使用多项式误差模型替代了经典的常数误差模型。基于建立的模型提出了一种双轴转位机构动静态混合标定方案,使用八位置静态标定方法标定陀螺零偏,采用三轴12个速率的旋转标定方法标定陀螺标度因数误差和非正交耦合误差。针对加速度计采用二十四位置的重力场静态翻滚标定方案,最后使用多项式拟合的数据处理方法计算和补偿光纤惯性组件的标度因数误差。通过实验和补偿结果表明,此方案有效标定了光纤惯性组件的各项确定性误差。

一种基于双轴位置转台的IMU快速标定方法

为了简化标定设备,降低标定成本,该文研究了利用双轴位置转台进行光纤陀螺惯组混合标定的可行性。通过分析加速度计和陀螺的标定原理,提出了一种快速六位置标定方案。利用地球重力加速度和自转角速度对加速度计和陀螺进行误差激励,完成标定。首先建立了标定模型,其次设计了位置编排方案,最后进行了实验验证。实验结果表明,快速六位置法能实现加速度计和陀螺误差参数的快速标定,其中标度因数的标定精度与传统方法基本一致,安装误差和常值漂移的精度相对于传统标定方法有所降低,但满足低精度的光纤陀螺惯组的使用要求;同时,与传统标定方法相比,其标定时间由4.5h减少至2h。

基于VPX架构的集成光纤惯组复合热控设计方法

为适应控制系统低成本、高集成发展趋势,光纤惯组趋于高集成一体化设计。然而,精密仪表和大量电子元器件的高度集成,造成惯组内热流密度大大增加,传统的热设计方法已经不能很好地解决这一问题。因此,基于VPX架构的集成光纤惯组,提出了一种温度补偿+强迫风冷+相变材料的复合热控设计方法。通过系统热仿真及地面试验验证,结果表明:所提方法可以将集成光纤惯组内台体温度控制在惯性仪表正常工作温度范围内,对系统高度集成设计具有一定的工程借鉴意义。

光纤惯组温度补偿模型和测试技术研究

光纤惯性导航系统中的光纤陀螺和石英加速度计的漂移受温度变化影响显著,导致其在导航系统中的应用受到各种制约。现在工程上采用的温控技术虽然保证了光纤陀螺工作环境温度的稳定,但其需要在陀螺内增加温控设置,并对设置的温度控制性能提出了较高的要求,这样必定会增加光纤陀螺的体积、质量和成本,同时温控精度也受到制约。提出了一种基于光纤惯性测量组合的温度补偿模型,并设计相应的试验方法对陀螺仪和加速度计的零偏和标度因数进行了温度补偿。试验验证,提出的温度模型准确有效,有利于补偿因温度变化引起的加速度计和陀螺仪的零偏和标度因数影响,达到提高惯性导航系统的导航精度的目的。

基于光纤SINS／GPS组合导航系统故障诊断

针对某型号光纤捷联IMU与GPS组合导航系统规模大、复杂性增强,系统出错概率增加的问题,研究了包括动态系统故障检测的一般方法,随后又建立了两种χ2检验法。然后,采用这两种χ2检验法对SINS/GPS系统进行仿真基础上的故障分析;最后以某型号所用光纤惯性测量系统和GPS组合导航系统为背景,用环境试验所获得数据对算法进行了仿真,表明了算法的可行性与正确性;研究成果对导航系统可靠性设计具有重要参考价值。

基于异步估计自适应Kalman滤波系统设计

一般的Kalman滤波器对系统噪声和测量噪声统计特性要求较为严格,当统计特性存在不确定性时,估计会造成较大的估计误差,甚至使滤波器发散。针对此问题,在基于新息的自适应估计和极大后验估计的基础上对Q和R进行异步估计;以某型号光纤惯性测量装置和GPS系统为背景的仿真实验结果表明,该方法能够有效地对Q和R存在不确定的组合导航系统的误差状态变量进行估计,并能较好地保证自适应滤波器的收敛性,进一步提高了估计精度。

惯性管道测绘仪(IPSS)设计与实现

为了实现石油及天然气管道地理和几何信息的高精度测量,本文设计了一种智能式、超小型的管道测绘系统。该系统由惯性测量单元(IMU),海量存储单元、里程仪和GPS等构成,以轻小型光纤传感器—光纤陀螺为主传感器,结合组合惯性测量技术,通过测绘系统经过管道各点时的姿态和位置信息,可取得被测管道的几何信息。该系统的使用可有效提高管道测量的精度,为管道状态的监视和维护提供依据,同时促进管道测量向全自动和存贮式方向发展。

基于双轴位置转台的光纤陀螺惯组标定方法

为了简化标定设备,降低标定成本,该文研究了利用双轴位置转台进行光纤陀螺惯组标定的可行性,分析了转台位置误差对光纤陀螺惯组标定结果的影响。分别建立加速度计和陀螺的标定模型,推导出利用双轴位置转台进行标定的相关算法及设计了新的标定方案,且进行了相关实验,对实验数据分析结果表明,利用双轴位置转台进行光纤陀螺惯组的标定,标定值与真值基本一致,方案可行。此外,经实验分析,转台测角误差所引起的标定误差最大为2.42×10-6,数值较小,在实际应用中可忽略。

十表光纤惯组温度控制对火箭入轨精度的影响

对十表光纤捷联惯组的温度特性进行研究,根据惯组飞行过程中的实际温控目标,给出了单边主动数字温控方案。在此基础上,通过实际试验验证温控方案失效对惯组的输出精度的影响,最终通过仿真分析给出惯组温控失效对火箭入轨精度的影响。

一种基于光纤捷联惯性系统大样本统计的参数有效期评估方法

标定参数有效期是武器系统在使用过程中的一项重要指标,传统方法使用单套惯组的多次测试数据来评估标定参数的有效期。但这种抽测方法存在样本较少、耗时长的缺点。为克服以上问题,提出了一种利用正态分布和卡方检验分析多套惯组的单次测试数据来评估标定参数有效期的方法,样本量大、置信度高。用此评估方法对75套光纤惯组单次的测试数据进行统计分析,结果表明标定参数满足有效期要求,证明了本评估技术的有效性、可行性。同时,还分析了部分标定参数误差的漂移机理,为今后设计出长期稳定性更高的光纤惯组提供了理论支撑。

一种基于VPX架构的光纤惯组系统集成一体化设计方法

针对目前国内外运载火箭控制系统电气设备轻质化、智能化和集成一体化的发展要求,提出了一种基于VPX架构的光纤惯组系统集成一体化设计方法,并开展了地面试验验证。结果表明:该技术实现了控制系统主要电气设备一体化集成设计,相比传统设计,该方法可以使得相同功能的产品数量和质量均降低35%,满足了新一代控制系统电气设备在高集成、高可靠、轻质化等方面的需求,具有一定的工程应用价值。

一种基于三轴光纤陀螺的小型惯性测量系统设计

针对短航时水下航行体自主研制了一款基于三轴光纤陀螺的小型惯性测量系统,该系统由1只三轴光纤陀螺和3只石英加速度计组成敏感元件,结构上进行了一体化设计,整机具有减振功能;硬件电路采用以TMS320F28335主处理器为核心电路的方案,阐述了主要电路设计和采用的关键技术,提供主要芯片国产原位替代对照关系。系统具有软件在线升级功能,升级后产品具有初始对准和导航解算功能。通过静态导航试验和车载导航试验表明:该系统在正常传递对准条件下,15 min持续对准航姿精度可达到航向角误差不大于0.5°,俯仰角、横滚角误差不大于0.35°,具有高可靠性和较强的抗冲击、振动能力。