基于修正Rodrigues参数和UKF的姿态估计算法

以修正Rodrigues参数作为姿态参数,利用无味Kalman滤波(UKF)设计了一种全姿态估计算法。修正Rodrigues参数在姿态估计中具有简洁高效的优点,然而,因其奇异性不能用于全姿态运动情况。利用修正Rodrigues参数与其影子参数相互切换的方法可以避免奇异现象的发生。UKF直接利用非线性模型而不需要线性化,适用于高精度的姿态估计。本文针对"陀螺+矢量观测"这种典型的姿态确定模式,以修正Rodrigues参数与其影子参数相互切换的方法描述姿态,利用UKF设计了姿态估计器。状态协方差阵在姿态参数切换时发生突变,引起姿态估计器的滤波波动。为此,提出了在姿态参数切换时对姿态估计器进行修正的方法。最后通过仿真验证了算法的有效性。

基于UPF和修正Rodrigues参数的无陀螺姿态确定算法

针对无陀螺或陀螺失效等情况下的飞行器姿态确定问题,基于无冗余姿态描述形式修正Rodrigues参数,提出了仅利用星敏感器矢量观测信息来确定飞行器姿态的UPF(Unscented Particle Filter)算法。UPF利用UKF(Unscented Kalman Filter)得到粒子滤波的重要性密度函数,从而克服了标准的粒子滤波没有考虑最新量测信息和UKF只能应用于噪声为高斯分布的不足。修正Rodrigues参数描述飞行器姿态具有简洁高效的特点,通过切换方法避免了奇异性现象。仿真结果表明,该姿态确定算法可以取得比UKF更快的滤波收敛性和更高的滤波精度,并且比四元数算法计算效率提高近10%。

基于修正Rodrigues参数的鲁棒滤波算法在组合导航中的应用

组合导航的观测量常会因外界复杂环境的干扰,出现滤波精度下降的现象。提出一种基于修正Rodrigues参数的鲁棒滤波算法,利用修正Rodrigues参数来重新构造组合导航姿态表达,通过引入HUBER鲁棒策略实现抑制观测量干扰等问题。在捷联惯导/卫星组合导航仿真例子中,比较了传统基于四元数的滤波算法、基于修正Rodrigues参数的滤波算法及其鲁棒化滤波算法,仿真实验结果表明算法具有计算量低和抑制外部干扰等效果,证明了算法的有效性。

考虑碾压参数影响的压实质量连续检测结果修正研究

为降低压路机行驶速度、行驶方向、振动频率等碾压参数引起的压实质量连续检测结果CMV误差,以动态变形模量E_(vd)为修正目标,基于极限梯度提升XGBoost算法和多元线性回归方法分别建立CMV修正模型,对比修正模型的适用性,并分析各碾压参数对CMV误差的影响。研究表明,XGBoost修正结果与E_(vd)的相关系数高达0.8且误差仅为1.7%,而多元线性回归修正结果与E_(vd)的相关系数仅为0.65且误差高达9.2%,XGBoost修正模型更适用于降低由碾压参数引起的CMV检测误差。高速行驶会造成CMV存在显著的负误差,行驶方向的不同使CMV产生大小相当但正负相反的误差,振动频率对CMV误差的影响是非线性的且与频率的取值有关。最后根据现场压实检测数据的修正结果验证了XGBoost修正模型对降低CMV检测误差的可靠性。

钻孔剪切力学参数表征修正方法及其实验研究

钻孔剪切法是现场快速实测岩石抗剪强度的重要方法,但因测量误差较大导致其应用受限。通过对钻孔剪切原理及研究成果分析,发现了不完全剪切是岩石钻孔剪切试验误差大的原因,提出了基于压、剪不等面积的钻孔剪切法修正方法。设计实验装置开展钻孔剪切模拟试验,研究了不同剪切板参数下砂岩剪切力学参数表征规律,证明了所提方法的有效性和修正效果,最后通过文献数据验证了该方法的适用性。具体结果如下:①岩石钻孔剪切试验误差大的根本原因是受压面积和剪切面积选取失真且不相等,实际剪切破坏面积小于剪切齿齿间面积,且不同剪切齿长度情况下修正受压面积和剪切面积均随法向力的增大线性增大。基于剪切齿参数、受压面积和剪切面积的关系式,提出了钻孔剪切法修正方法。②岩石钻孔剪切的剪应力−剪切位移曲线可分为压密阶段、似弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后阶段。随法向力增大,不同剪切板参数下正应力、剪应力和剪切刚度均增大,达到剪应力峰值时的位移减小。钻孔剪切参数与剪切力学参数表征值之间存在明显规律。随剪切齿齿长的增加,黏聚力线性增大,内摩擦角呈二次函数增大。随剪切板面积的增加,黏聚力线性增大,内摩擦角呈二次函数减小。③剪切齿齿长和剪切板面积增大可在一定程度上减少测量偏差。剪切齿齿长从1.0 mm增大到2.5 mm,黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从62.96%降低到19.91%,总修正提升值从30.8%提高到74.1%;剪切板面积从400 mm^(2)增大到520 mm^(2),黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从64.07%降低到37.69%,总修正提升值从39.56%提高到56.05%。实验和文献数据验证均表明,本修正方法可以使钻孔剪切法测得的黏聚力和内摩擦角准确度分别提升约50%和6%。

基于参数修正的交叉互联电缆单相故障测距方法

由于实际线路参数易受环境影响,基于暂态信息进行参数辨识的故障测距方法的计算结果可能无法代表真实线路参数,因此提出了基于参数修正的电缆故障测距方法。以交叉互联电缆为例,根据线芯与护层间电气耦合关系,建立了基于双π参数模型的电缆单相接地故障测距方程。基于模拟退火算法,利用电缆正常运行状态下的电气信息修正电缆线路参数。应用布谷鸟算法求解所建立的故障测距方程得到故障位置。基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了电缆故障模型,分析了故障距离、过渡电阻、线路参数变化因素对所提方法的影响。仿真分析结果表明,所提方法在不同因素的影响下,均具有较高的准确度,对交叉互联电缆进行故障测距有一定的参考意义。

基于遗传-模拟退火算法修正高斯烟羽模型参数

高斯烟羽模型由于受到地形地貌与气象条件等因素的影响,难以准确反映大气的实际扩散过程。为解决上述问题,首先在经验参数作为先验值的基础上,通过遗传算法对实际观测数据进行参数反演修正,根据观测结果调整模型参数,提高模型的准确性;然后,为进一步优化参数修正结果,引入模拟退火算法,通过随机搜索和逐步降温的策略来跳出遗传算法可能陷入的局部最优解,进一步改善模型的性能。为了评估修正效果,建立一个基于权重的模型值与观测值之间差异的适应度函数,通过比较修正前后的误差率来判断参数修正对高斯烟羽模型的影响程度。仿真实验的结果表明,所提出的遗传-模拟退火算法模型能够有效地修正高斯烟羽模型中的扩散参数,修正后的模型在预测污染物浓度方面的误差率下降了89.40%。所提模型可为环境保护和污染防治提供重要的理论支撑和决策依据,具有较大的应用潜力。

无转速同步下叶片同步振动参数辨识误差修正

叶片振动非接触在线测量是保障大型旋转机械健康高效运行的重要环节,振动参数的精确辨识是叶片振动高精度测量的关键。无转速同步下,传统基于叶尖定时的叶片同步振动参数辨识方法忽略了叶片振动带来的时间误差,直接影响了参数辨识精度。为修正无转速同步下的叶片同步振动周向傅里叶拟合误差,提出了一种改进的叶片同步振动参数高精度辨识方法。利用叶片振动角位移,修正叶片到达时刻,优化传感器之间的振动位移差测量模型,提高了叶片振动幅值及振动倍频的辨识精度。开展了仿真和实验验证,二者结果一致性良好,在振动倍频值10、6、5处,改进方法与传统方法相比,信号恢复精度分别提高11.79μm、5.21μm、3.26μm,所提方法具有良好的误差修正效果。

基于修正的Rodrigues参数的EKF算法在姿态估计中的应用

以低成本航姿测量系统为研究对象,针对四元数描述姿态时存在冗余的不足,提出使用三维独立矢量的修正的Rodrigues参数进行姿态解算,利用与其影子参数相互切换的方法解决了修正的Rodrigues参数在描述姿态时存在奇异的问题,根据系统中器件的特点,以陀螺零偏和修正的Rodrigues参数为状态向量,以加速度计、磁强计输出为观测向量建立了基于扩展Kalman滤波的姿态估计算法,避免了利用四元数进行姿态估计时状态误差方差阵产生奇异的问题,并在一定程度上减小了估计算法的计算量。最后通过全姿态以及摇摆基座数据仿真验证了算法的有效性。

DP780双相钢剪切修正GTN模型损伤参数确定

目的为了准确预测DP780双相钢在低应力三轴度时出现的剪切断裂,建立了损伤参数与断裂时载荷和位移的响应面模型,并根据此模型研究损伤参数变化对双相钢剪切断裂的影响,得到最佳损伤参数,以提高预测双相钢发生断裂的精确性。方法以DP780为研究对象,建立了剪切修正GTN模型,以孔洞体积分数fN、孔洞形核时平均应变εN、剪切系数kw为因素,分别以断裂时载荷和位移为响应值,基于试验设计得到对应的响应函数,并在此基础上建立误差评价函数,通过最小二乘法对误差评价函数进行求解得到最佳损伤参数。结果建立了基于断裂载荷和位移的误差评价函数,在此基础上结合试验验证,确定fN=0.025、εN=0.198、kw=2是最佳损伤参数组合。孔洞体积分数和剪切系数对断裂影响较大,随着孔洞体积分数fN的增大,发生断裂时的载荷减小,随着剪切系数kw的增大,发生断裂时的位移缩短。结论基于Abaqus软件,建立了剪切试样有限元模型并对其进行断裂仿真,断裂时平均减薄率为1.4%,与断裂试验结果吻合,表明了获得的损伤参数的准确性,为双相钢在车身结构件中的生产应用提供理论依据。

考虑地基模量选取弹性模量修正参数的高速铁路复合地基路基沉降预测

高速铁路路基沉降的精准预测对于铁路运行安全具有重要意义。提出一种考虑地基模量选取弹性模量修正参数的复合地基路基沉降预测方法,通过MidasGTS-NX有限元软件数值模拟,应用于昌景黄高速铁路段路基沉降预测,与现场监测进行对比,其预测误差控制在10%以内,表明该方法具有一定的可靠性。应用于多线并行既有石济客专铁路复合地基路基沉降预测,结果表明:最大沉降位移达到32mm,分别出现在上、下行联络线路肩位置处,整体变形趋势由右向左逐渐增大,左线中心、路基面中心、右线中心最大沉降值分别为21、17、16mm,沉降预测值符合规范要求。

基于特性参数自适应修正的花瓣式配电网反时限过电流保护方法

闭环运行的花瓣式配电网具有更为复杂的故障特性,导致传统保护方法难以满足选择性和速动性要求。针对这一难题,分析了花瓣式配电网的短路故障电流特性,揭示了故障点上、下游故障电流随故障位置移动的变化规律,并指出定时限过电流保护与标准反时限过电流保护应用于花瓣式配电网时存在的问题;结合花瓣式配电网的故障电流特性,提出一种基于特性参数自适应修正的反时限过电流保护方法,仅利用本地电流信息对反时限特性参数进行自适应修正,能够在保障保护选择性的同时显著提升保护速动性;基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建10 kV花瓣式配电网模型对所提保护方法进行验证,仿真结果表明该保护方法能在提升保护选择性和速动性的同时,克服传统保护方法应用于花瓣式配电网时的局限性。

基于Rodrigues参数的多线阵CCD外姿态测量系统的姿态解算

提出了一种以Rodrigues参数作为姿态描述参数的线阵CCD外姿态解算算法用于多线阵CCD空间目标外姿态测量系统,以解决传统姿态解算算法约束条件多、计算量大、实时性差等缺点。利用Rodrigues参数简洁高效的特点,根据多点合作目标组成的线段间的相交矢量关系推导出了一种新的基于Rodrigues参数的多线阵CCD外姿态解算模型。算法结合Rodrigues参数集切换理论避免了奇异性的发生,并给出了这种姿态解算方法的流程。仿真结果表明,与四元数算法相比,该算法在未损失计算精度的前提下,计算消耗时间减少了37.6%,实时性优于四元数法,并且避免了奇异性问题。

基于Rodrigues参数的姿态估计算法

以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出一种快速的全姿态估计算法。Rodrigues参数具有简洁高效的特点,但它具有奇异性,不适用于大角度情况。首先将序贯旋转方法和Rodrigues参数相结合,提出了一种简洁、无奇异的姿态描述方法。然后应用该姿态描述方法,针对"矢量观测+陀螺"这种典型的姿态测量方案,讨论飞行器的姿态估计问题。在姿态估计算法设计中,给出了陀螺模型和观测矢量模型,推导了状态和状态误差协方差阵的预测方程和量测更新方程,并提出了预测方程的一种高效积分方法。仿真结果表明在估计精度等同的条件下,该姿态估计算法比四元数算法效率大约提高10%。

基于Rodrigues参数的视觉相对位姿确定算法

以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出了一种视觉相对位姿确定算法。Rodrigues参数作为一种简洁、高效的姿态描述法,适用于实时性要求高的视觉相对位姿确定,但它本身的奇异性使其不能用于大角度的位姿确定。将视觉导航方法和无奇异姿态描述的Rodrigues参数切换理论结合起来,推导了基于Rodrigues参数的视觉相对位姿解算模型,并给出了这种相对位姿确定算法的流程。仿真结果表明该算法能很好地解决奇异问题,实现全姿态运动情形下的相对位姿确定。

Rodrigues参数与四元数间的关系分析

介绍了Rodrigues参数,从投影的角度,详细阐述了四元数与经典Rodrigues参数及改进型Rodrigues参数的关系,推导了Rodrigues参数微分方程以及与姿态阵的关系,建立了等效旋转时避免奇异值出现的方法。以典型圆锥运动为背景,对以Rodrigues参数描述的导弹捷联姿态算法和以四元数描述的姿态算法在计算量和计算精度上做了详细的比较。

双Rodrigues参数方法及其在姿态确定中的应用

提出了一种利用Rodrigues参数序对描述刚体姿态运动的方法。首先证明了刚体的任一姿态可以由两个模不大于1的Rodrigues参数组成的序对来描述,采用"冻结"Rodrigues参数序对的第一个Rodrigues参数的方法将其变量的个数从6降低到刚体的转动自由度3,接着讨论Rodrigues参数序对与其它姿态描述参数的关系,然后建立了由Rodrigues参数序对表示的姿态运动学方程,最后给出这种姿态描述方法在飞行器姿态确定中的应用,仿真结果表明该方法的精度优于四元数算法。

Rodrigues参数的推广形式

介绍了国内外关于Rodrigues参数改进方法及其应用的研究现状.在此基础上,提出了Rodrigues参数的第一推广形式.现有的射影参数和广义Rodrigues参数都是其特例,为统一研究由Rodrigues参数推广而来的各种三参数姿态描述方法提供理论基础.然后,从第一推广形式这一族姿态描述参数中选取一个子族,即Rodrigues参数的第二推广形式.文中给出了第二推广形式与四元数的关系及第二推广形式表示的姿态运动学方程,并讨论了解决Rodrigues参数的第二推广形式奇异性的方法,为飞行器姿态确定和控制算法设计提供了理论基础.

基于Rodrigues参数和量测非线性的SINS/GPS动基座对准

对GPS辅助下,捷联惯导系统动基座对准问题进行了研究。利用姿态阵分解,将动态对准问题转换为一个常值姿态的估计,采用Rodrigues参数进行姿态描述,建立了系统方程线性,量测方程具有二阶非线性的对准模型,进而推导了基于二阶非线性量测完整泰勒级数展开的滤波算法。同时,对Rodrigues参数描述姿态时的奇异点问题进行了详细地讨论,设计了能自动判别并规避奇异点的滤波对准方案。以车辆典型机动轨迹为对象进行了蒙特卡洛仿真,结果表明,所设计算法能够在5 s内实现奇异点的判别及处理,且当GPS速度误差为0.1 m/s,位置误差为3 m,更新率为1 s时,惯性级捷联惯导系统在120 s时间内,可以达到水平姿态误差角均方根小于10″,方位误差角均方根小于4′的对准精度。

基于实测数据的半潜式平台贝叶斯模型修正方法研究

随着半潜式平台的长期海上服役,平台的基本设计参数会发生变化,如仍基于原始设计参数对平台进行分析将影响结果的准确性。本文以半潜式平台服役中易发生变化的基本参数(平台排水量、重心高度和三个自由度回转半径)作为修正参数,以平台横摇、纵摇和垂荡自由度的方差和波频功率谱密度构建目标函数,建立可依据实测数据的半潜式平台贝叶斯参数修正方法。以我国某半潜式平台实测数据为例,开展平台的参数修正研究,并基于修正后的参数对平台多年一遇环境荷载下的响应进行对比评估。