2023年, 第22卷, 第4期　刊出日期：2023-08-05

  

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院士专栏
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  三十年不断发展的MEMS惯性传感器

  丁衡高

  导航与控制. 2023, 22(4): 1-4. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.001

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  近三十年来,MEMS惯性传感器技术取得了巨大进步,在人类生活、工业和高端装备等方面得到了广泛应用。概述了MEMS惯性传感器在我国的发展历程与主要路线,并以车辆辅助驾驶为例,总结了国内外MEMS惯性传感技术的快速发展与典型应用情况,研判了MEMS惯性传感器正在向高可靠、集成化、高融合与智能化等方向加速发展。
综述
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  GNSS拒止环境下UAV集群协同导航技术发展现状及分析

  魏帅迎, 杜雨桐, 胡博, 孙猛, 李昶

  导航与控制. 2023, 22(4): 5-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.002

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  随着无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术的发展,无人机集群成为近年的重点研究方向。无人机集群协同导航技术能够提升无人机在卫星导航拒止环境下的定位导航能力,成为集群协同技术研究中的一大热点。对现有的导航技术以及集群协同相关技术进行论述,将卫星导航拒止环境下的协同导航技术分为协同组织架构、导航定位方式、机间相对定位、协同定位优化四个方向,并总结了对应方向的发展现状,同时分析了不同场景下的协同导航技术方案,最后阐述了协同导航未来发展的重点方向。
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  半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术研究综述

  郑超, 张林, 章光建, 肖茵静, 凌林本, 李昊天

  导航与控制. 2023, 22(4): 17-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.003

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  半球谐振陀螺是具有精度高、质量小、寿命长等特点的新型固态陀螺,在航海、航空、航天等领域有着广泛应用前景。半球谐振陀螺的质量不均匀性调平技术是制造高精度半球谐振陀螺的关键技术。针对半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术,首先对谐振子性能影响最大的四次谐波缺陷辨识方法及其关键性能指标发展现状进行了分析;其次,对影响谐振子性能的一次、二次、三次谐波缺陷辨识方法进行了归纳梳理;然后,总结分析了谐振子四类调平工艺——传统机械加工、化学刻蚀、激光刻蚀和离子束刻蚀的工艺方法及特点;最后,展望了谐振子调平技术待解决的问题及未来研究的重点。
导航与制导
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  面向直升机的地形概率密度特征匹配方法

  赵立强, 李荣冰, 何梓君, 程鉴皓

  导航与控制. 2023, 22(4): 26-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.004

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  随着现代战争的发展,争夺低空、超低空制空权具有重要意义,地形辅助导航是实现直升机等低空飞行器导航定位的有效手段。针对直升机低空飞行场景下地形辅助导航中的地形匹配受量测误差影响大导致匹配错误进而影响定位精度的问题,通过对传统匹配相关运算方法进行分析,引入地形高程差的概率密度作为相关性计算方法,提出了一种利用地形高程差的概率密度特征进行地形匹配的方法,并引入地形复杂度与相似度对地形匹配置信度进行评估,减小错误匹配对导航误差修正的影响。仿真实验结果表明,所提出的基于概率密度特征的地形匹配方法对量测误差具有更高的适应性,匹配准确率更高,相对于传统方法,在测量误差较大的情况下可以提高56.5%的匹配准确率。通过对地形匹配置信度进行评估,在误匹配次数较多的场景下可以将组合导航定位误差的均方根误差降低为传统方法的3.54%,有效提高了地形辅助导航系统的容错性。
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  车载大视场视觉惯性组合导航算法研究

  张宇, 谢波, 苏鑫, 王萌, 王猛

  导航与控制. 2023, 22(4): 34-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.005

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  车载视觉导航在大角度旋转和高速运动等场景下表现不佳,由于视觉和惯性的误差特性互补,所以视觉惯性组合导航算法有良好的应用前景。大视场相机获取外界信息丰富,但大视场相机采样频率低影响视觉数据采集,而且基于优化的组合导航算法计算速度慢,故提出了一种适用于大视场相机的车载视觉惯性组合导航算法。该算法侧重于数据预处理:设计了基于伽马函数的对比度受限自适应直方图均衡化来降低图像噪声,通过FAST角点与光流法的组合完成特征提取与跟踪,进一步加快了计算速度。引入了惯性数据等效旋转矢量二子样算法来减少数据量和计算量,通过预积分算法为误差优化减少计算量,通过视觉误差、惯性误差以及边缘化误差联合优化来提高精度。与其他组合导航算法相比,该算法精度较高,计算速度最快,与VINS-Mono相比节省时间19.7%。
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  用于飞机追踪的北斗地面数据监测与评估系统设计与实现

  王钰, 王雁来, 陈亮

  导航与控制. 2023, 22(4): 42-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.006

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  民用航空飞行器在全球区域范围内的全过程飞行追踪和监测一直是航空飞行器研发工作的重点。由于我国在西藏新疆等边远地区缺乏ADS-B以及ACARS信号覆盖,无法保证飞机的实时跟踪,采用北斗RDSS短报文可以作为填补民机跟踪监控的技术空白。基于北斗短报文数据链路,可以实现对运输类飞机的跟踪与定位,并对飞机飞行情况进行实时监测。针对飞行空中通信环境的复杂性,为了提高通信成功率,在对空中信号质量的分析基础上,优化了抗干扰天线设计并提高了信号接收质量,实现了包括飞机轨迹追踪显示、飞机数据告警以及基于北斗的数据分析等功能。经过实际应用测试验证,平均数据接收成功率提高了3.53%,系统设计的功能和性能指标均达到设计目标,能够有效补充现有飞机监控信号空白。
传感器与执行机构
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  掺铒光纤光源辐照致有源区损耗研究及其抗辐照设计

  朱蕊蘋, 魏伟, 索鑫鑫

  导航与控制. 2023, 22(4): 51-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.007

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  在辐照环境下,掺铒光纤光源谱宽、平均波长稳定性及功率稳定性与光纤陀螺精度直接相关。为研究高性能、抗辐照掺铒光纤光源,研究了掺铒光纤光源辐射致有源区损耗特性。利用Er³⁺的本征荧光光谱作为光源原始输出光谱,结合“多重光褪色”和“980nm泵浦功率闭环控制技术”,提出了一种高性能、抗辐照掺铒光子晶体光纤光源设计方案。结果表明,在50krad照射剂量下,光源谱宽大于40nm,平均波长稳定性约5.4×10^-7/krad,输出功率衰减小于0.1dB。该宽谱光源在辐射环境下具有良好的综合性能,特别适用于战略级高精度干涉式光纤陀螺。
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  基于改进等周期法的振梁加速度计测频方法

  张雅宁, 王晓东, 袁文辉, 华旭, 张博学

  导航与控制. 2023, 22(4): 59-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.008

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  振梁加速度计的输出量频率需要被连续、准确地测量,而现有应用于小型化电路板上的测频方法相比于频率计存在较大的原理性误差,针对运用等周期法的测频方法精度不高的问题,提出了一种改进等周期法来测量加速度计输出的频率值。本实验采用Altera max10型的FPGA芯片来实现测频和数据处理及运算,实验中使用测频电路和标准频率计53220A分别测量标准信号源、振梁加速度计的频率输出。实验结果显示,对比改进前后的算法,输入信号为标准信号源时,测频电路的输出精度有效提升,数值由原来的3.513μg变为1.078μg;输入信号为振梁加速度计的输出时,经过指数平滑滤波之后的输出精度由原来的22μg变为9.2464μg。对比频率计对振梁加速度计输出的测频结果,分析了影响加速度计测频精度的主要影响因素。经过测量后的结果表明,所提的基于改进算法的测频电路相比于等周期法可以有效地提升精度,并且拥有小型化、精度高的特点,在未来具有很好的应用价值。
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  陀螺仪随机误差的渐进遗忘多新息Kalman滤波

  陈猛

  导航与控制. 2023, 22(4): 67-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.009

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  MEMS陀螺仪由于小体积、低价格等优点在民用领域得到了广泛应用,但是由于工艺水平限制,MEMS陀螺仪测量数据中存在大量的随机误差。为了减小MEMS陀螺仪测量的随机误差、提高测量精度,提出了基于渐进遗忘多新息Kalman滤波的随机误差滤波方法。建立了MEMS陀螺仪随机误差的AR模型,在经典Kalman滤波中引入了多新息修正方法,并使用渐进遗忘因子削弱历史数据的积累干扰作用,从而给出了随机误差的渐进遗忘多新息Kalman滤波方法。同时,使用经典Kalman滤波和渐进遗忘多新息Kalman滤波对MEMS陀螺仪输出数据进行处理,并使用Allan方差分析各噪声含量,可知:渐进遗忘多新息Kalman滤波后的数据其QN噪声比经典Kalman滤波减小了2个数量级,ARW噪声减小了1个数量级,BI噪声减小了2个数量级,RRW噪声和RR噪声减小为原来的约1/5,实验结果验证了渐进遗忘多新息Kalman滤波在陀螺仪随机误差滤波中的先进性。
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  半球谐振陀螺惯导系统温度补偿技术研究

  陶陶, 乔相伟, 陈志豪, 梁爱琦, 王雷, 石琪

  导航与控制. 2023, 22(4): 74-80. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.010

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  为有效提高半球谐振陀螺惯导系统导航精度,解决温度变化对快速启动性以及实际应用精度产生显著影响的问题,分析了系统级标定误差参数的温度特性,并建立了温度误差模型,最后设计了温度补偿试验以及平台模式标定试验对补偿效果进行检验。试验结果表明,建立的温度误差补偿模型准确有效,误差参数稳定性得到提升,提高了启动阶段半球谐振陀螺惯导系统的性能,且计算量较小,具有较高的工程应用价值。
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  基于融合滤波的MEMS动态倾角仪算法设计

  修睿, 孙丽艳, 郭思诺

  导航与控制. 2023, 22(4): 81-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.011

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  倾角仪是测量物体水平倾角的仪器,在测绘仪器、天线定位、平台控制、海上平台监控等方面有着广泛的应用。基于以MEMS陀螺仪和加速度计为核心传感器、STM32H743为核心控制器的高精度动态倾角传感器,针对加速度计受线加速度影响不适合跟踪动态角运动、陀螺仪受漂移影响存在误差累计的问题,设计了一种融合滤波算法,采用零速修正和姿态自观测方法建立扩展卡尔曼滤波模型,通过反馈矫正将陀螺仪和加速度计输出数据进行融合滤波,去除加速度计受动态环境产生的干扰误差和陀螺仪产生的累计漂移误差,得到高精度载体水平姿态信息。使用大理石平板及三轴转台分别进行静态及动态试验验证,测量过程中动态倾角仪通过RS422串口及CAN总线将仪表原始信息及姿态解算信息传输给地面采集设备,实现对载体姿态的连续、实时计算和显示。经试验验证,该算法能够有效提高系统倾角跟踪精度,测量精度优于0.008°(1σ)。
材料与工艺
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  复合材料非热压罐工艺设计与力学性能研究

  冯天怡, 姜雪冬, 王长峰, 王长青, 刘红涛

  导航与控制. 2023, 22(4): 91-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.012

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  纤维增强树脂基复合材料具有比强度/比模量高、可设计性强、耐疲劳等优点,在航空航天领域获得了广泛的应用,但也面临着生产成本和效率问题。针对热压罐工艺高成本和高消耗的缺点,综合分析了热压罐工艺和真空辅助树脂灌注成型(Vacuum Assisted Resin Infusion,VARI)工艺的优缺点,对两种成型工艺进行优势整合后,在VARI工艺的基础上进行升级,设计了一种新的低成本非热压罐成型工艺,并对该工艺成型制件的性能进行评价。结果显示,与VARI工艺制件相比,在非热压罐工艺下成型的玻璃纤维层合板制件,其纤维体积分数提高了6%,拉伸模量提高了2.24GPa,拉伸强度提高了61MPa,层间剪切强度提高了2.96MPa。该设计显著改善了VARI工艺制件的力学性能,具有一定应用前景。
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  基于SiP技术的导航微系统电路设计与实现

  许文运, 何劲驰, 孙晓冬, 杨兵, 王皓

  导航与控制. 2023, 22(4): 99-105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.013

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  针对目前导航系统的小型化需求,研制了一种基于SiP技术的导航微系统电路。该微系统电路能实现射频基带一体化,内部集成了低噪声信号放大器、GNSS射频基带芯片、数字选择器、过流锁定保护芯片以及无源器件。采用高导热率氧化铝陶瓷管壳实现了良好的散热,利用双腔结构有效减小了模块的尺寸(仅为26mm×26mm),其面积缩小至原先板卡的26%。对模块进行仿真,其满足设计要求。测试结果表明,该电路能够实现GPS和BD的双模导航,定位精度达到10m,测速精度达到0.2m/s,实现了系统小型化的需求。
测试与计量
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  一种面向工业机器人的高精度三维无序抓取系统

  罗华, 尚俊云, 李瑞峰, 郭静, 杨娜, 郭超

  导航与控制. 2023, 22(4): 106-116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.014

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  在航空航天、汽车等领域中,各类复杂工件结构复杂、纹理弱且混叠堆放,在智能制造过程中存在快速、高精度测量和识别难题。针对上述问题,建立了一种面向工业机器人的高精度三维无序抓取系统。基于面结构光三维测量技术,构建大场景固定基座的三维视觉测量装备,获取大型复杂零件的三维点云数据。建立零件点云模板,设置抓取点位置,利用点云配准技术识别零件并估计当前位姿。提出了一种手眼标定优化策略,实现了对工业机器人的精确引导,完成任意位姿零件的抓取,按要求装配于指定位置。实验结果表明,所设计的无序抓取系统平移误差为0.413mm,角度误差为0.123°,可以快速有效地对散乱堆叠零件进行高精度识别与定位,引导工业机器人准确抓取与放置,该系统可以在航空航天、汽车等领域的工业生产线上进行示范应用。
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  基于LabVIEW的惯性测量组件自动化测试系统

  马煜然, 王甫, 翟萌, 鲁鹏威, 董俊杰

  导航与控制. 2023, 22(4): 117-123. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.04.015

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  因惯性测量组件是受温度等外界因素影响较大的高精度传感器模块,所以在生产过程中需对其进行测试并补偿来保证组件精度。针对原有惯性测量组件测试方式存在程序繁琐、测试周期长且效率低等缺点,设计了一款基于LabVIEW的惯性测量组件自动化测试系统。经过实验验证,该系统能够实现在进行惯性测量组件静态测试和动态测试的同时,对组件输出数据进行采集存储,为后续组件的补偿验证提供了数据支持,提高了测试效率,并且可实现全天候测试,具备自动化程度高和测试周期短等优点。