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。

一种激光陀螺惯性测量单元混合标定方法

针对采用低精度转台标定高精度激光陀螺惯性测量单元(IMU)的方法进行了研究。提出一种不依赖转台精度的静态解析与Kalman滤波估计混合的新型高精度标定方法。首先采用多位置静态解析法粗标定出IMU系统参数的低精度初始值;然后根据惯性导航算法基本误差方程,建立以IMU系统参数粗标定结果的残差为估计对象,以IMU速度误差为观测量的扩展Kalman滤波器,估计出系统参数残差,进一步修正粗标定结果。实验结果表明,该方法能够利用低精度转台获得与高精度转台相当的参数标定精度,降低了惯导系统的标定成本,满足高精度激光陀螺IMU的使用需求。

激光陀螺惯性测量单元系统级标定方法

传统的分立标定方法必须依靠高精度的转台提供姿态基准,不满足带减振器的惯性测量单元(IMU)和现场标定需求。首先建立了附加约束条件的陀螺和加速度计安装坐标系数学模型,根据陀螺和加速度计的输出误差方程,从惯性导航基本误差方程出发推导了惯性测量单元的系统级误差参数标定Kalman滤波模型,该模型包含了陀螺和加速度计零偏、比例因子、安装误差在内共21维标定误差状态变量,且仅以速度解算误差为观测量。依据所建立的模型和设计的标定路径对此系统级标定方法进行了仿真,仿真结果表明,陀螺和加速度计零偏估计精度分别优于0.005o/h和0.005 mg,安装误差估计精度优于1′′,比例因子误差优于1ppm,满足高精度惯导系统的标定需求。

光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现

本文介绍采用全数字闭环光纤陀螺组成的惯性测量单元的实现方法，采用ＤＳＰ作为中央处理单元，完成三轴组合的时序控制、数字解调、滤波算法、波形合成及数据传输，并对三轴陀螺进行了全面的性能测试，测试结果表明惯性测量单元中每个陀螺零漂均小于０．５°／ｈ，标度因数线性度＜２００ｐｐｍ。

一种新的激光陀螺惯性测量组合标定方法

根据激光陀螺和石英加速度计的简化输出模型,推导并提出了一种新的激光陀螺惯性测量组合标定方法。该方法首先建立了一个与转台无关的机体坐标系,然后利用惯性测量组合绕6个不共面轴转动的输出值求解出激光陀螺的比例因子和安装方位;与此同时,根据6个转轴在竖直向上和竖直向下位置时的惯性测量组合输出值来确定加速度计在同一机体坐标系下的比例因子、安装方位和漂移。理论分析表明,与传统的标定方法不同,新方法对激光陀螺的标定结果受转台精度的影响较小,可以克服减震装置变形对激光陀螺标定的影响,从而实现中等精度转台对惯性测量组合的高精度标定。

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。

基于IMU与激光雷达融合的无人弹药补给车SLAM系统研究

针对单一传感器建图精度低、实时性不足的问题,将IMU融合到激光雷达SLAM算法中。首先,采用手眼标定方法对2种传感器坐标系外参进行标定,实现传感器在时间与空间上的对齐。然后,结合因子图优化模型,解决在建图过程中产生的漂移现象,并将IMU融合到激光雷达LeGO-LOAM算法中。最后,在室外场景下搭建了无人弹药补给车SLAM实验平台,分别进行了LeGO-LOAM算法融合IMU前后的建图和定位试验。结果表明,融合IMU后的SLAM算法建图和定位精度都明显提高,满足了在未知环境下无人弹药补给车建图和定位的性能要求。

基于激光测距仪与微惯性测量单元的室内个人导航方法

现有室内定位导航技术大多需要提前部署传感器网络,不适用于应急救援场景。为此,基于激光测距仪与微惯性测量单元提出一种新型的室内个人导航方法,在室内个人导航中引入同时定位与地图创建技术,无须提前部署传感器网络,实时生成室内二维平面图,并通过扫描匹配算法进行导航定位。实验结果表明,与惯性导航定位相比,该方法可以在不同的轨迹与环境下获得更精确的定位结果。

基于压电陀螺的惯性测量单元设计及数据优化

采用低成本的压电陀螺和加速度计,运用高精度模/数转换模块和高性能数字信号处理器(DSP),在嵌入式系统内对传感器数据进行了采集和数据优化处理;运用基于快速小波变换的低阶卡尔曼滤波算法和多传感器数据动态融合算法对姿态测量数据进行了处理,优化了姿态角测量数据,为后续姿态测量精度的提高提供了基础。

基于双轴速率转台的IMU440惯性测量单元快速标定方法与实验

在捷联惯导系统中,惯性器件的确定性误差是系统误差的主要原因之一。为了提高惯导系统的输出精度,必须对这一误差加以补偿。以美国Crossbow公司开发的IMU440惯性测量单元为对象进行了快速标定实验,建立了陀螺仪和加速度计的误差模型方程,提出了用于辨识陀螺仪和加速度计误差模型参数的速率和位置标定法,根据两种标定方法得到了IMU440惯性测量单元的误差模型,最后对误差模型进行了校验。实验结果表明,误差补偿后的惯性器件输出值可以很好地接近理想输出值,大大降低了捷联惯导系统的输出误差。

基于某种无陀螺惯性测量单元的安装误差补偿

加速度计的安装误差对无陀螺惯性测量单元的精度影响十分显著。分析了一种典型的九加速度计配置方案,针对其构型特点,讨论了加速度计的安装方向和位置误差,给出了标定方法和误差计算公式,采用总体最小二乘法求解其中的超定方程,并设计了补偿方案。仿真试验结果表明该补偿方案将角速度解算误差的均值和方差均减小2个数量级,消除89.5%的东向导航误差。

基于滑动窗口优化的激光雷达惯性测量单元紧耦合同时定位与建图算法

针对现有的激光里程计在面临室外大场景建图时,普遍会出现定位精度低、鲁棒性差的问题,提出一种16线激光雷达和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)紧耦合的同时定位与建图(simultaneous localization and mapping, SLAM)算法。首先,对IMU进行估计位姿,通过线性插值矫正激光点云的运动畸变;其次,通过曲率提取场景特征,并根据不同特征性质进行分类;再次,利用帧间匹配模块在滑动窗口内构建局部地图;最后,利用帧与局部地图匹配得到的距离和IMU数据构建联合优化函数。借助KITTI数据集和自行录制的园区数据集,对改进算法与主流的Lego-LOAM和同样使用紧耦合方案的LIO-Mapping进行分模块和整个系统的精度评定。实测结果表明,在符合里程计实时性的要求下,改进激光里程计精度高于Lego-LOAM和LIO-Mapping方案。

基于无陀螺微惯性测量单元的惯性恒星罗盘

为满足微纳航天器对姿态确定系统的体积、重量、功耗、精度等严格要求,提出用无陀螺微惯性测量单元(GFMIMU,Gyroscope-Free Micro Inertial Measurement Unit)和星敏感器组成惯性恒星罗盘(ISC,Inertial Stellar Compass)的姿态确定方案.根据无陀螺的测量原理建立了ISC的状态方程,将星敏感器的姿态测量信息作为观测量,修正GFMIMU长时间工作误差的积累.利用卡尔曼滤波器对ISC的定姿误差进行估计,并采用可观测性分析理论证明滤波器的滤波稳定性.最后,对ISC进行了系统仿真,仿真结果证明ISC可以满足微纳航天器的使用要求.

无陀螺惯性测量单元设计及仿真分析

在简述无陀螺惯性测量单元(GF-IMU)测量角速度的一般原理的基础上,提出了一种九加速度计的配置方案及其角速度解算方法。该算法利用加速度计输出的测量信息直接求得所测量的角速度的绝对值,没有积分运算引入的迭代误差,在一定程度上提高了载体角速度的解算精度。针对该九加速度计配置方案在解算载体角速度时,存在需要开方及符号误判等不足,提出一种解算角速度的微分算法,彻底消除解算过程中开方及符号判断带来的误差,提高了系统精度和实时性。仿真分析证明了方案的可行性和算法的有效性。

半球谐振陀螺星载惯性测量单元设计与实现

半球谐振陀螺是一种新型固体振动陀螺,具备功耗低、寿命长、稳定性高等特点,可完美适应卫星的姿态控制。针对微小卫星应用需求,利用半球谐振陀螺构建了星载惯性测量单元。首先,通过测量单元硬件结构设计,对其内部空间进行优化,并通过力学特性及力学试验仿真分析,验证其机械可靠性。其次,针对微小卫星应用环境优化半球谐振陀螺电路设计,提高惯性测量单元可靠性。最后,力学环境试验结果表明,三轴半球谐振陀螺的零偏稳定性均优于0.1°/h,敏感器件满足标度因数非线性度≤500ppm和零偏稳定性≤0.1°/h(1σ)的要求,实现了满足微小卫星应用需求的低成本、小体积、高可靠的半球谐振陀螺星载惯性测量单元。

高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元外参在线标定算法

针对车辆在近似平面上运动时,退化的传感器数据难以标定外参的问题,提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔除预数据集中的外点,以滑动窗口的形式多次求解只包含旋转分量的手眼标定模型,并改进解析解筛选的条件,求解出多解加权旋转外参的SVD解析解。第二阶段最小化包含外参的残差函数,以旋转解析解为初值滑动窗口迭代优化六自由度外参,使外参快速收敛,并在退化运动和错误历史约束过大时固定外参,避免外参退化。与原始算法对比,该算法对退化的传感器数据具有鲁棒性,可在无外参初值的情况下实现精准鲁棒地在线标定外参。

光纤陀螺惯性测量单元数据采集系统设计

为了满足捷联惯性导航系统对惯性测量单元低成本、小体积、高速率等要求,提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件,采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出,重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。系统中选取了高性能的集成电路芯片,在DSP的基础上进行了简易可靠的接口电路设计和在线误差校正,试验结果表明该信号采集系统能满足捷联惯性导航系统的技术要求。

一种激光陀螺捷联惯性导航系统级标定方法

为优化激光捷联惯性导航在卧式三轴转台上的系统级标定方案,设计了卧式三轴转台外环轴整周旋转对惯性测量单元(IMU)误差参数的激励方法。基于捷联惯性导航的误差方程,阐述了速度误差与IMU误差参数间的关系,从而建立IMU系统级标定模型。该模型具有加速度计误差参数仅反应在观测量北向分量、陀螺误差参数仅反应在观测量东向分量的特点,消除了加速度计和陀螺误差参数标定误差的相互影响。根据准D最优准则,设计了正二十面体12点计划的双轴位置单轴速率翻滚法,利用最小二乘法辨识出IMU的24项误差参数。通过给加速度计和陀螺加入不同测量噪声,对IMU标定模型进行仿真,结果表明该方法可抑制加速度计和陀螺的测量噪声对标定结果的影响。

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。

用于日本H-Ⅱ运载器的环形激光陀螺捷联式惯性测量装置的研究

日本研制的 H-Ⅱ运载器采用环形激光陀螺和加速度计组成的捷联式惯性测量装置(IMU)。H-Ⅱ运载器将在1993年进行首次发射。目前,由日本宇宙开发事业团(NASDA)和日本航空电子工业有限公司(JAE)承担的该捷联式惯性测量装置的飞行模型样机正在研制。该装置工程模型(EM)的鉴定试验已于1989年5月成功地完成了。本文概要地介绍了惯性测量装置工程模型的设计和测试结果,同时还介绍了继在1985年西德陀螺会议录发表题目为《日本宇航应用环形激光陀螺的研究》一文后环形激光陀螺在空间应用时环境特性的改进评价试验结果。