内水平阻尼捷联惯导误差仿真研究

捷联惯导系统依靠算法建立导航坐标系,以数学平台取代平台惯导物理实体平台,其系统误差中同样存在三种周期振荡成分.将平台惯导内水平阻尼思想引入捷联惯导,阻尼舒拉周期振荡和傅科周期振荡误差成分,同时推导了内水平阻尼捷联惯导误差传播方程.仿真实验表明,引入内水平阻尼之后,在载体加速度较小的条件下,捷联惯导姿态精度得到明显提高.     

微机电系统在船舶航姿测量系统的应用

航姿测量系统可以采集船舶的航向、方位、水平姿态等信息,对船舶导航、舰载飞行器着舰、导弹引导等有重要的作用。传统的船舶航姿测量采用陀螺仪等传感器件,通过采集船舶的角速度得到姿态角,该测量方式的动态特性好,但存在成本高、集成度低、自动化程度低等问题。随着嵌入式芯片和微机系统的发展,基于嵌入式处理器的船舶航姿测量系统被开发出来,该类型的航姿测量系统具有精度高、功耗小和自动化程度高的优点,应用越来越广泛。本文基于嵌入式芯片,设计和开发了基于微机电系统的船舶航姿测量系统,并对该系统的结构组成和工作原理进行介绍。     

一种捷联惯导阻尼超调误差抑制算法研究

针对捷联惯导系统在阻尼状态切换时产生超调的问题,提出一种基于“双模”解算的捷联惯导阻尼超调误差抑制算法。基于捷联惯导的力学编排,建立了系统水平回路的控制模型,分析了系统阻尼和无阻尼状态切换时超调误差产生机理。在此基础上,设计了系统阻尼和无阻尼并行的导航解算算法,在切换状态超调期内利用无阻尼导航输出校正阻尼导航输出,抑制状态切换超调误差。算法将捷联惯导系统IMU的输出同时接人两个解算回路。两个回路同时、独立进行导航参数的解算。系统工作在无阻尼状态时,惯导系统输出无阻尼回路的导航参数。在状态切换的超调期内,惯导系统仍输出无阻尼回路的导航参数。状态切换的超调期结束后,惯导系统输出阻尼回路的导航参数。仿真结果表明,该算法能够抑制惯导系统阻尼状态切换时产生的超调误差。同时,该算法使校正回路设计简洁,工作稳定可靠。     

一种新的船用捷联惯导系统阻尼算法

针对平台式惯导系统阻尼系统设计复杂的问题,根据罗经对准网络与阻尼网络的等效性,研究一种新的捷联阻尼算法。以捷联式惯导系统的数学平台代替平台式惯导系统的实体平台,设计捷联式惯导系统阻尼网络,包括水平阻尼网络和全阻尼网络,推导方便计算机运行的水平阻尼算法和全阻尼算法。结合某型激光陀螺双轴旋转惯导系统半实物仿真,对水平阻尼和全阻尼算法进行验证。     

水下航行器极区内对准以及格网导航技术

为克服水下航行器在极区航行时地理经线收敛导致的航向角定义失效、定位计算失效等问题,设计了格网惯性导航算法编排方案,以直接获得格网航向,并采用ECEF位置坐标代替传统经纬度进行水下航行器定位。对格网惯性导航的误差进行建模,并据此设计了格网惯导系统的"速度匹配"传递对准算法,以满足水下航行器在极区的对准需求。仿真结果表明,在格网惯性导航下,采用高精度惯性器件,15 min内水平姿态角误差小于0.5′,方位姿态角误差小于0.2′,水平速度误差小于0.5 m/s,ECEF坐标系下的位置误差全程小于200 m;应用"速度匹配"传递对准算法,水平失准角在10 s内即可收敛到1.5′以内,同时,加速对方位失准角有激励作用,30 s内方位对准精度在4′以内。     

基于四元素的扩展卡尔曼滤波航姿参考系统算法设计

为了优化飞行姿态信息,设计一种适用于捷联式航姿参考系统的九态扩展卡尔曼滤波算法,得到最优估计。为了验证此EKF算法的可行性和滤波效果,采用AHRS300惯性测量单元的数据进行MATLAB滤波算法仿真,把感器采集数据平滑计算后,建立精确的MATLAB算法模型作为参考。把两种结果作差比较,计算姿态角误差。从仿真结果可以看出,所设计的算法能够获得较好的姿态角精度,证明此扩展卡尔曼滤波性能良好。     

捷联航姿系统航行状态下的组合对准算法研究

由于捷联航姿设备无纬度解算值,导致跨纬度航行时航向误差过大,引入计程仪速度与航姿设备输出姿态、航向一起对纬度值进行计算,航行状态引入计程仪信息后建立数学模型进行初始对准,经航行实验验证,72小时内航向角误差得到了极大的缩小,验证了该数学模型的可行性,可提高设备的精度,具有实际使用意义。     

SINS/GPS松组合与紧组合两种组合方式的对比研究

SINS/GPS组合导航是现代导航的发展趋势,针对采用GPS输出量的不同,对两种组合方式进行详细的研究.论文建立了松组合与紧组合的数学模型,采用遗忘因子估计的卡尔曼滤波算法提高系统的可观测度和鲁棒性,对于紧组合方式通过增加运动约束的方法提高其可观测度,经过滤波调谐,在仿真模式下进行实验.并得到松组合下系统水平姿态精度优于0.09°,方位姿态精度优于0.23°,水平位置误差小于4m,紧组合下系统水平姿态精度优于0.03°,方位姿态精度优于0.09x(n),水平位置误差小于2m的实验结果.通过SINS/GPS组合导航仿真实验结果验证,表明了SINS/GPS紧组合方式的精度确实要高于松组合方式.     

陀螺罗经的发展趋势及阻尼方法的新途径

本文作者认为,80年代陀螺罗经发展趋势,电控式陀螺罗经有其广宽前景。电控式陀螺罗经以强阻尼电磁摆和力矩器组成的修正回路替代机械摆或液体连通器,易实现快稳、可工作于两种状态、规律性误差易补偿等。常见的电控式陀螺罗经均因采用垂直轴阻尼法而存在纬度误差与受水平轴常值力矩干扰而产生读数误差。随着高输入阻抗、低温漂运算放大器的出现,作者认为:在校平回路中附加一个简单的RC超前网路,可克服纬度误差及水平轴常值干扰力矩引起的误差;也可采用水平轴阻尼法,只要在方位回路中选取一个合适的RC滞后网路。从简化结构,实现主罗经小型化考虑,以采用水平轴阻尼法较为有利。     

MEMS航姿测量系统在航海领域的设计研究

航姿自动测量系统是当前船舶的重要助航设备之一,对于船舶的航行安全,自动驾驶等,具有重要的意义。针对当前航姿自动测量系统成本高,复杂性高的问题,本文提出一种基于低成本MEMS惯性和磁传感器的姿态和航向参考系统(AHRS),研究其在船舶航行领域中的应用,设计航姿测量系统中航向、姿态测量的数学模型。并通过实验证明提出的方法能够保持较高的工作稳定性和有效性。     

陀螺随机漂移引起的惯导系统误差特性分析

为研究陀螺随机漂移作用下的惯导系统误差发散规律,当陀螺随机漂移为白噪声时,基于静基座下的惯导系统误差方程,得到了惯导系统误差的计算方法。基于白噪声的统计特性,理论推导了惯导误差方差的解析解,并分析了各因素对惯导系统误差的影响。基于理论推导公式,对白噪声作用下的惯导系统误差做了仿真计算。结果表明:在陀螺随机漂移作用下,惯导系统误差与航行纬度有关。方差中包含舒拉、傅科、地球三种周期振荡和非周期项。其中的非周期项与陀螺漂移率的方差成线性关系,同时是时间的斜坡函数;经度误差的方差中,三种周期性振荡受非周期项的调制作用,振荡幅值随时间线性增大。     

双惯导改善导航性能的组合数据研究

在传统的水平阻尼网络的基础上,针对双惯导系统的特性设计了新的阻尼方法并分析了各种误差与这种阻尼网络的关系。通过仿真分析,比较2套阻尼系统的误差结果,可以看出双惯导外水平阻尼能够显著降低外速度误差的影响,减少阻尼时间,抑制经度误差。     

带漂角和输入饱和的水面船舶航向控制

[目的]为处理水面船舶航向控制过程中受到的非零漂角和输入饱和影响,提出一种基于反步法的航向控制方法。[方法]首先,利用相对速度求出实际漂角,再通过漂角对航向角误差进行修正;然后,采用一种预滤波方法减小航向改变时对航速变化的影响,同时引入双曲正切函数和Nussbaum函数逼近输入约束,结合自适应律对逼近误差和艏摇方向上的扰动进行估计;最后,借助指令滤波器简化反推过程,并通过Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。[结果]仿真结果表明,所提控制器有效减小了水面船舶的航向输出误差,且能始终保持较小的控制输入力矩。[结论]研究成果可为水面船舶航向控制设计提供参考。     

潜航器轨迹跟踪与航向预测算法

海况条件较差时,基于水下单点GPS定位系统的潜航器实时定位有较大测量误差,不利于潜航器的轨迹跟踪与航向预测。针对误差服从高斯分布的水下单点GPS定位系统,提出基于改进型扩展卡尔曼滤波算法的GPS跟踪方法和基于回归分析算法的航向预测方法。通过测试与仿真,对定位设备采集到的数据进行对比分析,试验结果表明,上述算法显著提高了轨迹测量精度与航向跟踪能力,准确绘制出了潜航器的实时航行轨迹与航向预测线,可应用于潜航器的轨迹跟踪项目中。     

动态执行机构的船舶逆最优变速循迹控制（英文）

A controller which is locally optimal near the origin and globally inverse optimal for the nonlinear system is proposed for path following of over actuated marine crafts with actuator dynamics. The motivation is the existence of undesired signals sent to the actuators, which can result in bad behavior in path following. To attenuate the oscillation of the control signal and obtain smooth thrust outputs, the actuator dynamics are added into the ship maneuvering model. Instead of modifying the Line-of-Sight(LOS) guidance law, this proposed controller can easily adjust the vessel speed to minimize the large cross-track error caused by the high vessel speed when it is turning. Numerical simulations demonstrate the validity of this proposed controller.     

Inverse optimal control for speed-varying path following of marine vessels with actuator dynamics

A controller which is locally optimal near the origin and globally inverse optimal for the nonlinear system is proposed for path following of over actuated marine crafts with actuator dynamics. The motivation is the existence of undesired signals sent to the actuators, which can result in bad behavior in path following. To attenuate the oscillation of the control signal and obtain smooth thrust outputs, the actuator dynamics are added into the ship maneuvering model. Instead of modifying the Line-of-Sight (LOS) guidance law, this proposed controller can easily adjust the vessel speed to minimize the large cross-track error caused by the high vessel speed when it is turning. Numerical simulations demonstrate the validity of this proposed controller.     

网络环境下无人水面艇航向控制器设计

无人水面艇自主航行中受到外部环境干扰及在控制中心-执行器网络通道中存在网络诱导特性(如网络诱导时延、数据丢包等)的影响,会降低系统性能,影响航向控制系统的稳定性.为了能使无人艇按照设定航向快速、稳定地航行,提出一种基于网络的无人艇航向控制策略.首先,建立基于网络的无人艇航向控制系统模型.基于这个模型,运用Lyapunov稳定性理论和凸分析方法导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律,并设计基于网络的航向控制器.通过仿真验证所提出方法和设计控制器的有效性.     

基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇自主靠泊方法

无人水面艇在开阔水域的自主航行得到了广泛的应用，但由于码头结构复杂、船只较多等因素，目前无人水面艇的靠泊还是需要人工来完成，这已成为无人水面艇全自主作业的瓶颈问题。为此本文提出了一种基于视觉伺服的无人水面艇自主靠泊方法。首先，通过无人水面艇搭载的视觉系统采集泊位的场景，从中提取出泊位标志物并将其作为视觉跟踪的对象；然后，利用标志物图像和期望图像的几何参数计算出航向偏差角，通过标志物图像计算标志物和无人艇的位置关系并求得虚拟航线，进而得到偏航距离；最后，选取航向偏差角和偏航距离作为控制变量，控制器实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向泊位，当标志物图像与期望图像的差值小于设定阈值时即停止自主靠泊任务。实船试验结果表明，在较小风浪条件下靠泊位置误差小于0.7m，航向误差小于12°。     

长航时捷联惯导系统综合校正方法

针对捷联惯导系统长时间工作时导航误差随时间发散的问题,提出一种适用于长航时捷联惯导系统的综合校正算法.首先建立了惯性系下的φ方程,在此基础上推导了陀螺误差引起的惯性系下φ角增量表达式,并通过φ角增量与观测量（位置误差和航向误差）之间的关系,建立起陀螺误差与观测量之间的关系,进而利用不定期获取的参考位置和航向信息计算陀螺漂移并进行修正.理论和实验分析表明,所提出的综合校正方法明显地抑制了捷联惯导误差随时间的发散,可有效提高长航时捷联惯导系统的导航精度,且该方法不受载体运动和纬度变化的影响,具有很强的工程实用价值.     

3D Track-keeping Method for Autonomous Underwater Vehicle

In this paper, 3D track-keeping control method for autonomous underwater vehicle (AUV) with and without the influence of ocean current is investigated. Because the system to be controlled is highly nonlinear and strong coupled, an approach is used to divide it into two subsystems. One is to control the heading and the track error on the horizontal plane. The other is to control the pitch and the track error on the vertical plane. The results of computer simulation show that the autopilot works properly, it can capture the current waypoint and turns to track the next path automatically.