Novel On-Line North-Seeking Method Based on a Three-Axis MEMS Gyroscope

A novel on-line north-seeking method based on a three-axis micro-electro-mechanical system(MEMS)gyroscope is designed.This system processes data by using a Kalman filter to calibrate the installation error of the three-axis MEMS gyroscope in complex environment.The attitude angle updating for quaternion,based on which the attitude instrument will be rotated in real-time and the true north will be found.Our experimental platform constitutes the dual-axis electric rotary table and the attitude instrument,which is developed independently by our scientific research team.The experimental results show that the accuracy of north-seeking is higher than 1°,while the maximum root mean square error and the maximum mean absolute error are 0.906 7 and 0.910 0,respectively.The accuracy of north-seeking is much higher than the traditional method.

纬度对陀螺经纬仪的影响测试分析

理论分析了纬度对陀螺经纬仪的影响规律,纬度越高陀螺指向力矩越小,陀螺仪跟踪周期和不跟踪周期越长,由此引起的陀螺经纬仪测量精度随纬度增高而趋势性变差。利用4台高精度陀螺经纬仪在纬度间隔约5°条件下进行了实地测试实验。结果表明,纬度从18°升高到53°,陀螺经纬仪测量精度变化约在3″左右,实验结果与理论分析结果一致。在考虑随机误差、仪器常数稳定性等其他因素影响的情况下,对中低精度的陀螺经纬仪影响可以接受,而对于高精度陀螺经纬仪不可忽视,可通过适当的测试数据拟合方式对纬度影响进行补偿。

激光陀螺仪惯性导航教学实验平台开发

针对现有惯性导航实验教学平台的仪器设备价高量少的状况,设计了一种面向实验教学的激光陀螺仪惯性导航平台。该平台包含激光陀螺仪、电动转台、控制器、数据采集软件、计算机等。开展了激光陀螺仪的驱动及控制、激光陀螺仪与电动转台的标定、激光陀螺仪角速率数据采集软件的开发及优化实验。结果表明:该教学平台具有成本低、精度高、开源性好等优点,可以广泛应用于本科和研究生教学。同时开发了用于实验教学的激光陀螺仪的器件特性、多位置寻北等系列实验,零偏稳定性达到0.01°/h,寻北误差<0.064°。

基于单轴光纤陀螺的单兵高精度寻北测角方法研究

光纤陀螺基于Sagnac效应测量角速度,其受外界环境的干扰很小且具有很好的自主性,因此,基于光纤陀螺的寻北测角系统在军事领域得到了一系列应用。为了满足单兵寻北测角的小型化、快速性的使用要求,研究了基于单轴光纤陀螺的单兵高精度寻北测角装置在倾斜摆放下的自动、快速寻北测角方法。在装置测量过程中可能存在干扰,进而影响寻北测角精度,通过研究装置在寻北测角过程中传感器的输出特征,并对干扰进行识别和处理,得到了高精度的寻北测角信息。最后通过试验对比和分析,验证了倾斜条件下干扰的识别与处理方法的有效性,满足单兵侦察时高精度寻北测角的需求。

基于ZYNQ的激光陀螺寻北仪的设计

在现代化战争中的武器系统以及民用勘测领域中,寻北技术发挥着无与伦比的作用。基于此背景,该文设计了一种基于ZYNQ的光纤陀螺寻北仪。该系统由XB185D单轴闭环光纤陀螺通过串行422通信接口将数据发送给ZYNQ,并通过AD模块AD7693对两路石英加速度计进行数据采集,利用温度传感器DS18B20进行温度数据采集。以XC7Z020为逻辑控制核心,通过四位置寻北算法解析北向角度,通过串口总线将结果发送到上位机上。经测试表明,该系统稳定可靠,能准确地定位北向,其误差范围在0.3°内。

连续旋转式寻北仪的寻北算法及信号处理

研究一种连续旋转式寻北仪.推导了该寻北仪在无姿态下的寻北解算公式.为了提高系统的寻北精度,对其干扰源进行了分析,采集了陀螺和加速度计的信号,根据其信号特点提出了基于快速傅里叶变换(FFT)的滤波方法,应用该方法对陀螺单次寻北数据进行了滤波,并与原始数据作了比较.在此基础上提出了对多次寻北结果采用多周期平均的数据处理方法.实验结果表明,系统在精确调平状态下寻北340s即可达到0.0083°的寻北精度.

摆式陀螺经纬仪粗寻北的新方法

针对现有摆式陀螺经纬仪粗寻北方法存在的不足,提出利用检测陀螺力矩实现陀螺经纬仪粗寻北的新方法。推导了陀螺力矩对轴承的水平作用力与陀螺主轴方位角之间的数学公式,在地球自转角速度相对陀螺转子角速度非常小的情况下,对公式进行了简化和仿真运算。采用该方法改进了某型号陀螺经纬仪的粗寻北,实验表明在不影响陀螺经纬仪测量精度的前提下,简化了操作程序,缩短了测量时间。

捷联式陀螺寻北仪误差分析与试验研究

对产生捷联式挠性陀螺寻北仪误差的主要因素进行了分析。试验结果表明 :水平姿态角较大时 ,与重力加速度的一次项有关的陀螺漂移是产生寻北误差的主要原因之一 ;应用椭圆低通滤波器对陀螺仪输出信号进行处理 。

光纤陀螺寻北仪多位置寻北误差分析

在建立光纤陀螺(FOG)寻北仪误差模型和FOG误差模型的基础上,从理论上分析了FOG和加速度计的零偏、FOG零漂、地速和地磁场随方位的变化等对FOG、FOG寻北仪的影响以及FOG寻北仪产生多位置寻北误差的原因,并提出了减小多位置寻北误差的方法。最后,在FOG寻北仪中进行了实验,实验证明了理论分析的正确性和所采用的方法的有效性。

1/4周期积分法的陀螺智能寻北

现代寻北测量中对于陀螺经纬仪的寻北精度、速度及仪器自动化程度的要求越来越高.通过研究陀螺仪寻北的理论公式及陀螺仪寻北的积分测量方法,提出了在四分之一周期测量时间内计算真北值的1/4周期积分测量方法.实验表明,在保证陀螺寻北周期精度的前提下,仪器寻北精度可以达到20″.一次寻北时间由8 min多缩减为3 min以内,大大缩短了精寻北的测量时间.说明了1/4周期测量方法是提高寻北效率的有效途径.

非陀螺找北系统的力学原理

本文提出一种基于 Coriolis效应的非陀螺找北系统实现方案 ,利用旋转线加速度计来敏感地球速率的水平分量 ,实现找北过程。文中建立了该系统的基本力学模型 ,并对其主要机械误差进行了理论分析。

BP神经网络在多位置捷联寻北系统中的应用

为了精确拟合多位置捷联寻北系统采集的数据曲线,计算陀螺初始位置和真北方向的夹角,介绍了多位置捷联寻北系统的工作原理,推导了寻北测量的数学模型,并分析了影响测量精度的因素。分别采用最小二乘法和BP神经网络法,对两种方法的拟合精度和最终计算得到的寻北结果进行了比较。实验结果表明:与最小二乘法相比,BP神经网络拟合精度较高,拟合残差和较小,达到0.23μV,残差的均方差达到1.3mV;在计算相位角时,多次寻北结果的均值基本一致,但均方差明显优于最小二乘法,达到8″,满足寻北系统对数据拟合精度的要求。

多位置寻北误差与陀螺数据采样时间的关系

为了在规定寻北时间内确定最佳采样时间和提高寻北精度,针对多位置陀螺寻北仪寻北误差与采样时间的关系问题,以FOG二位置寻北方案为例,采用FOG寻北误差理论推导结果与寻北实验结果相比较的方法,结合FOG数据的自相关性理论分析结果,分析得到了多位置寻北误差随采样时间的变化规律:随采样时间的增加,寻北结果会产生寻北精度不稳定、基本稳定、寻北精度较高和寻北误差增大等四种情况;分析了寻北实验误差小于理论计算结果以及寻北精度并非一直随采样时间增加而提高的原因;提出采样时间极限的概念,并得到实验样机采样时间极限为120 s;提出确定采样时间的原则和选择最佳采样时间的方法,这对多位置陀螺寻北仪设计和提高寻北精度具有一定指导意义。

光纤陀螺寻北仪四位置转位机构设计及其控制

光纤陀螺(FOG)寻北仪利用光纤陀螺敏感地球自转角速率的水平分量,经解算获得载体参考轴与北向的夹角。转位控制方案设计是寻北仪系统设计中一个极其重要的环节,转位机构的转位精度必须满足寻北的精度要求。该文详细介绍了光纤陀螺寻北仪转位机构设计、实现途径以及对寻北精度的影响。实验证实采用多位置转位机构达到了系统寻北的精度要求。

一种快速高精度自主式寻北仪设计及精度分析

自主定向是大型光电跟踪设备和惯性导航设备的关键技术。为了降低成本并适应快速高精度自主寻北定向的需要,深入研究了基于哥氏效应的加速度计寻北(也称为非陀螺寻北)系统。根据加速度计寻北仪的工作原理,结合工程实际,设计了一套铅垂轴系单轴速率的寻北系统。针对系统结构组成,从加速度计、光电编码器的选择及转台、数据处理等的设计出发,讨论了该方案的结构实现。根据加速度计寻北原理的数学模型,详细分析了影响寻北精度的转速误差、偏心误差、测角误差、采样误差等关键因素,并按照样机的实际参数进行了误差计算,计算出寻北标准差为88″.

基于智能陀螺经纬仪实现快速初寻北

机械陀螺经纬仪初寻北时间的长短是决定其寻北效率的关键因素。从陀螺仪寻北的原理出发,在智能寻北系统中引入了一种快速寻北新方法——加速度判定法。该方法通过计算光标运动的速度与加速度值,能够在陀螺开始寻北数秒后即测量出真北值,并且能够弥补电子罗盘初寻北精度过低的问题,是全自动寻北策略的重要组成部分。以JT-15陀螺仪为样机的寻北实验表明,将加速度判定法应用于智能寻北系统中,仪器初寻北测量精度优于3′54″,满足了JT-15陀螺仪精寻北的条件要求,保证了全自动寻北的速度和精度,对于机械陀螺的快速及智能化寻北具有现实意义。

加速度计在非陀螺寻北系统中的应用研究

根据加速度计及基于哥氏效应的加速度计动态寻北系统的工作原理,探讨了加速度计在该系统中特殊的应用方法:测量地球自转的北向分量、转台机械安装的倾斜角和电机的旋转速度。研究结果表明:巧妙地将加速度计应用于寻北系统中,充分发挥惯性元件的自身特点,可提高寻北系统的定位精度,对传统伺服系统的改造,也有借鉴意义。

摆式陀螺复合式全方位快速寻北

由于现有摆式陀螺寻北仪对初始架设方位要求严格,难以实现全方位的快速寻北,本文提出了一种复合式全方位快速寻北方案。研究了该方案涉及的摆式陀螺大偏北角运动规律、全方位的快速预定向和小偏北角的快速粗寻北和精寻北。根据刚体动力学原理建立了摆式陀螺大偏北角运动方程,运用数值分析和曲线拟合方法求得方程的近似解析解。依据上述运动规律,分析了1/2周期和1/4周期全方位步进预定向的寻北时间和寻北效果,并对寻北策略进行了优化。在分析曲线拟合快速粗寻北和步进快速限幅法的基础上,提出了一种快速步进粗寻北限幅方法。最后,结合上述方法和光电积分法,提出了一种复合式全方位快速寻北方案。仿真结果表明:优化后的步进策略可以在190s内将陀螺主轴步进到真北±300′以内;快速步进粗寻北限幅法可以在95s内完成小偏北角粗寻北和限幅;复合式寻北总时间不超过11min。结果显示该寻北方案有效克服了对初始架设方位的限制。

小口径光纤陀螺快速精密定向测斜研究

针对油气井测量所面临的小口径、高温、高冲击等环境挑战,研究了一种应用小口径光纤陀螺和MEMS加速度计构成的新型油气井用快速定向测斜系统,为确保该环境下的测量精度,提出了快速粗测与精测相结合的方法,设计了优化的二位置寻北方案,通过旋转自动调整测量位置,并用小波滤波对信号进行处理,以实现仪器快速精密定向测斜。论文给出了系统方案、寻北测斜算法和小波滤波算法。测试结果表明:该系统90s定向精度优于±1°,倾角精度达到±0.1°以内,信号传输距离超过9000m。该方案采用了固态结构的惯性敏感器,使系统抗冲击能力大大提高,可靠性增强,各主要指标均优于传统动调式定向仪,非常适合全天候野外作业环境,具有广阔的应用前景。

基于动调陀螺的多位置寻北仪的转位误差分析

针对实验过程中转台在每个转位处存在的转位误差对系统寻北精度的影响,介绍了动调陀螺多位置寻北仪的工作过程及真北解算原理,进行了转位误差对寻北精度影响的误差分析。运用误差理论和偏导数原理,推导出转位误差与寻北误差二者之间的关系模型。理论分析及实验结果表明,在相同寻北位置数的情况下,转位误差越小寻北精度越高;同时在一定的转位误差时,寻北位置数越多则寻北精度越高。根据理论分析,提出了两种不同的误差补偿方法。