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。

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。

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。

为了达到降低摆式积分陀螺加速度计零偏(K₀)的目的,提出了一种S型软导线。针对其结构形式与排布,对仪表零偏(K₀)和浮子组件干扰力矩(M)的影响进行了分析。将S型软导线分割为相切的圆弧,通过改变圆弧弧长、圆弧对应半径以及软导线水平偏角(α)等参数,采用ANSYS Workbench仿真软件Mechanical 模块得到了在给定约束条件下软导线变形程度、应力应变分布以及自由端反作用力大小等信息,结合结构尺寸计算了软导线施加在仪表浮子组件上的干扰力矩和加速度计零偏的数值,为优化软导线结构与布局提供了参考。仿真结果表明:随着总弧长、弧长半径以及水平偏角的增大,干扰力矩M和零偏K₀呈现出先减小后增大的变化趋势,而随着圆弧等分段数的增多,干扰力矩M和零偏K₀则迅速增大。

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)。

相干布居囚禁(CPT)磁力仪可以实现磁场标量的高精度测量,但却很难实现磁场矢量的高精度测量。为了实现地磁场量级磁场矢量信息的测量,提出了一种基于CPT效应的双线偏振旋转调节光路测量磁场矢量的方法。该方法利用3.4 GHz微波模块调制VCSEL光源产生满足CPT效应的泵浦光,并通过光路结构实现两束传播方向相互垂直的线偏振光进入原子气室,调节两束线偏振光的偏振方向,测量CPT信号峰极值对应的偏振方向,进而确定磁场在垂直于光传播方向平面中的角位置,通过两束光的测量得到磁场的大小及方向。实验在总场为2133 nT条件下的角度误差在1°左右,验证了所提出的磁场矢量测量方法的可行性。该方法具有不受信号幅值波动影响、理论测量精度高、无需三轴线圈辅助等优点,并可使测磁系统简化,在卫星测磁等领域具有重要意义。

组合导航系统是典型的非线性系统,模型的非线性以及噪声的不确定性均会影响系统的估计精度。针对传统无迹卡尔曼滤波器在非高斯噪声情况下滤波精度下降的问题,提出了一种改进的自适应最大相关熵无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。该方法依据滤波新息对当前时刻量测噪声进行估计,利用估计噪声相对于历史噪声的变化程度确定核宽的变化区间,并依据最大相关熵算法的迭代误差变化对核宽进行自适应调整,提高了算法的收敛速度以及对非高斯噪声的处理能力。基于非高斯噪声环境进行了SINS/GNSS组合导航仿真实验与实际跑车实验,与传统无迹卡尔曼滤波进行比较,结果表明:在非高斯噪声条件下,提出的算法得到的东向位置误差为2.11 m,北向位置误差为1.85 m,滤波性能明显优于传统UKF,提升了组合导航解算的精度。

单像素相机在集成化、工程化方面尚不成熟,大多数研究仅针对实验室环境进行搭建与测试。然而在工程应用中,样机的体积、质量和测试环境均是影响单像素成像质量的因素。故在体积、质量和测试环境等约束条件下,利用集成了C++语言高效编解码算法的近红外波段单像素相机,开展了在自然光源和红外灯等复杂环境下的单像素相机测试。集成的单像素相机在6.25%采样率下可实现2.5帧/s@256×256像素成像,角分辨率为7.3 mrad,随着曝光时间的增加,图像信噪比显著提升,经深度学习的降噪网络处理后,单帧成像质量仍有上升空间。同时,也仿真研究了集成样机对振动的响应特性,讨论了样机在一般运输环境下的适应性。本研究对单像素相机技术成熟度的提升具有推动作用,为低成本红外成像提供了一种解决方案。

在飞行器视觉导航的特征提取和匹配过程中,异源图像成像手段不同、特征信息差异大,各类图像信息因标准不一难以实现精确匹配。针对上述问题,提出了一种基于特征融合的异源图像匹配算法,能够实现异源图像的高精度匹配。首先,设计了基于残差网络的编码网络,提升了对图像深层次特征的提取能力;然后,在解码网络中使用了稠密连接保留中间层特征,使得融合结果能兼顾图像的各层级信息;同时,设计了包含注意力机制的融合策略,优化了融合特征中源图像的信息占比,提升了融合特征的质量;最后,将融合特征应用于图像匹配。实验结果表明,该算法相较于常见方法在特征融合评价指标上具有优越性。在异源图像匹配实验中,算法的匹配正确率为96.71%,旋转情况下的匹配正确率为89.40%,具有高精度、强鲁棒的特点。

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。

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。

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。

世界时是以地球自转运动为参考的时间计量系统,在空间飞行器的轨道坐标转换中起到重要的作用。综述了空间飞行器的精密定轨对世界时测量精度的需求,对现有空间大地测量方法、大型激光陀螺仪、大型光纤干涉仪等测量世界时的现状进行了分析,阐述了基于高精度光纤干涉仪的世界时测量方法需重点解决的关键技术。对所实现的大型高精度光纤干涉仪及其世界时测量系统进行了试验验证,连续15天的测试数据表明,采取了定向测量误差消除方法后,光纤干涉仪的零偏稳定性达9.7×10^-7(°)/h(1h,1σ),测量系统解算的世界时标准偏差为1.5ms,经IERS比对及验证,测量系统的世界时测量误差小于7ms。最后,对基于高精度光纤干涉仪的世界时测量精度以及其他地球参数测量进行了展望。

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%。

摆式积分陀螺加速度计(简称陀螺加速度计)具有高精度、大量程、抗干扰、能自动积分等优点,广泛应用于国内外远程火箭的高精度惯性导航与制导系统中。通过采用动压气浮、全液浮、磁悬浮支承技术,三浮陀螺加速度计成为目前工程应用中最高精度的加速度计。综述了三浮陀螺加速度计的发展现状、技术优势及其三浮支承、伺服控制和精密制造等关键技术,并对陀螺加速度计的技术发展进行了分析。

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。

作为航空光电吊舱的重要组成部分,光电平台广泛应用于无人机、导引头等领域。为了补偿摩擦、干扰角速度以及其他未知扰动,以提高系统稳定精度,提出了一种基于模糊调参规则和改进干扰观测器(IDOB)的复合控制方法。该方法利用模糊规则在线调整PID参数,并采用基于角速度的改进干扰观测器对伺服控制系统的外界扰动进行观测,将其等效为控制量进行反馈补偿。样机摇摆实验结果表明,提出的复合控制方法在低频干扰条件下的RMS值比模糊PID控制的RMS值减小了12.24%,有效提高了在低频干扰运动下的视轴稳定精度和鲁棒性,验证了该复合控制方法具有更好的稳定性,对工程实践具有参考意义。

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。

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。

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。

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。

氟油是分子中含有氟元素的有机化合物,是烷烃或醚类分子中的氢被氟全部或者部分取代后生成的氟碳化合物,包括全氟碳油、氟氯油和全氟聚醚油等。氟油具有优良的化学和热稳定性、黏温特性和润滑特性,被广泛应用于航空航天、电子、化工、机械和核工业等领域。为了考察氟油的化学和热稳定性,提出了模拟加速的试验方法,通过添加氧气、加热加压等手段,加速氟油的微量降解。采用差示扫描量热法、核磁共振法(氟谱)对模拟加速试验前后的氟油样品进行了检测,同时开发了离子色谱法高灵敏度测定氟油样品中氟离子的浓度,用以考察氟油的化学和热稳定性。在该模拟加速试验条件和测试方法下,当氟离子的浓度不超过5mg/L时,可以初步判定氟油具有良好的稳定性。

电感位移传感器常用于高速高精光束定位装置等精密测量领域,为了提高电感位移传感器的性能,需要研究电感传感器灵敏度、线性度、分辨率、带宽的影响因素。针对不同电导率大小的衔铁对电感灵敏度的影响关系问题,建立了涡流效应的变压器模型,结果表明:电导率越高的衔铁,其灵敏度越小。分析了激磁频率的选取原则,并推导了电感、电阻的分开测量计算方法。为了确定基于数字锁相放大器解调的位移分辨率与带宽的关系,建立了基于数字锁相放大器解调的测量误差模型。设计了差动电感传感器的位移检测系统,实验结果表明:在带宽为1kHz、总量程为1mm时,经过三次正反行程循环测量,灵敏度为6.888V/mm,重复性达到0.275%,位移分辨率达到26.40nm。经过三次样条平滑非线性补偿后,线性度可以达到99.93%。在相同量程与带宽内,分辨率、线性度优于部分国内外性能较好的传感器。

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。

基于一次谐波近似的无线电能传输系统动态建模中,一般假设整流桥的输入电压与电流同相,但该假设条件会导致建模精度降低。针对该问题,提出了将整流桥电压电流相角、增益作为超参数融入传统动态模型,并通过最小化模型输出与实测输出之间的二次损失函数,估计最优整流桥参数,从而形成一种新的无线电能传输系统动态建模精度提升方法。实验结果表明,采用该方法得到的无线电能传输系统动态模型,其输出曲线更贴近实际输出曲线,利用该模型能更准确地描述系统的动态特性。

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。

在无线电能传输过程中,航天仪器不可避免地会出现发射机构与接收机构位置偏移,这会使功率及效率发生骤减。为了解决这个问题,基于双十字组合式线圈偏移适应性,提出了具有抗偏移性的LCC-LCC及S-S拓扑并联构成的混合拓扑无线电能传输系统。首先,通过COMSOL有限元仿真,分析了机构的磁场分布特性;然后,对LCC-LCC与S-S补偿并联混合拓扑的电路特性及发生偏移振动等条件下的特性进行了分析;最后,通过仿真及实验,验证了所采用的双十字线圈与失谐混合拓扑下无线电能传输系统抗偏移的可靠性与有效性。实验表明:接收线圈在位置偏移下,系统的输出功率与传输效率基本保持不变。

激光捷联惯导因其具有良好的短期精度和稳定性等优势而被装备在武器、飞机等领域。针对连续旋转下机抖激光陀螺敏感轴偏移造成导航精度下降的问题,建立了机抖陀螺敏感轴偏移误差模型,利用陀螺有限元仿真结果完善该模型。提出了一种标定方法,该方法通过一种新的位置编排方案对6个敏感轴偏移误差进行充分激励,并用Kalman滤波估计出误差参数。仿真试验表明,该方法可以准确标定出敏感轴偏移误差参数。实物试验表明,补偿敏感轴偏移误差后,惯导系统在动态环境下的速度误差减少了80%以上。该标定与补偿方法能提高惯导系统动态导航精度,具有一定工程价值。

人为依据经验确定转台调节过程中的PID参数不仅效率低,而且参数的精度低,难以达到满意的效果。为解决该问题,提出了一种基于天牛群算法的PID参数寻优方法。首先建立了转台的数学模型,其次介绍了天牛群算法的算法流程、目标函数和寻优过程,最后使用IAE准则通过该算法对参数寻优得到一组最优解。通过与依据经验确定的PID参数对比,采用天牛群优化算法得到的PID参数更有依据,而且转台控制系统的阶跃响应稳定时间为1.1s,超调量为7.4%。

液浮陀螺仪具有精度高、可靠性高、环境适应能力强等优点,但由于其结构比较复杂,内部温度分布不均引起浮液流动,其产生的干扰力矩是影响陀螺仪精度的关键因素。同时,液浮陀螺仪具有封闭型腔,并且存在固体、液体、气体多种物质状态,导致仪表的温度分布情况难以通过实验直接测量得到。根据液浮陀螺仪的实际工作条件及工作原理,使用多物理场有限元仿真软件,建立了陀螺仪的流固热多物理场计算模型。通过计算得到了液浮陀螺仪的温度分布以及内部浮油和气体的流场与温度场,与实验测试点温度相比,模型计算得到的测试点温度误差为0.36%,关键部位的温度梯度精度可达到0.01K,网格细化20%后,仪表温度梯度变化0.05%,该研究将为后续液浮陀螺仪的温控及精度提升提供重要依据。

针对仪表螺纹连接拧紧造成的非均匀变形问题,均匀性装配为提高仪表精度与稳定性提供了一条更为经济、适用性更强的方法。提出了一种变形均匀性的评价方法,通过共生矩阵的特征参数来表征变形均匀性程度。结合仪表关键结构——电机转子结构,建立了精细化仿真分析模型,利用数值模拟方法研究了螺纹连接预紧力工艺参数对仪表电机转子盖变形均匀性的影响。结果表明,预紧力的离散度与转子盖变形均匀性相关性不大,而预紧力的均匀分布有助于提高仪表装配精度,研究结果为精密产品螺纹连接结构设计及工艺设计提供了理论依据。

自动跟踪型加速度计电流数字转换电路的稳定运行需要优化系统控制器的比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)参数,但是调整参数时多采用试凑、经验判断等方法,此类方法存在调节时间长、控制精度低的问题。针对这一问题,提出了基于根轨迹法求解控制系统的PID参数。此方法首先构建连续控制系统的数学模型,采用根轨迹法求解控制系统的校正控制器参数,校正后的控制系统动态性能指标接近期望值, -3dB带宽达到6.2kHz;然后,采用连续域-离散化设计法对连续域控制器进行离散化处理;最后,基于Simulink分别构建连续域与离散域的闭环控制系统仿真模型。仿真结果表明,两个系统的阶跃响应曲线特性基本相同。在离散域中,输入单位阶跃信号时,系统稳定且输出稳态误差为0。仿真结果可用于电流数字转换电路控制参数优化。

浮油是液浮陀螺仪的重要组成部分,陀螺仪工作环境温度分布不均引起浮油密度局部变化,导致产生干扰力矩。有限元方法能够实现液浮陀螺仪温度场的仿真以及干扰力矩的分析,但是缺乏对浮油物化性质及变化的研究。通过分子动力学模拟的方法,建立并优化了氟醚油的分子链以及密度计算模型,得到了分子量和温度对密度的影响。结果表明,氟醚油密度随分子量增大而增大,且模拟数值与实测密度相符。温度升高,氟醚油密度下降,密度与温度之间呈线性相关,且分子量越低密度下降越快。拟合校正后所得到的温密方程实现了浮油性质的定量分析,为有限元仿真和液浮陀螺仪的设计提供了基础参数。

交变温度载荷会影响螺纹连接状态,从而影响精密惯性仪表的精度和稳定性。机电阻抗技术以其响应快、对微小损伤敏感的特点在螺纹连接检测领域得到广泛应用。然而,现有的机电阻抗检测方法忽略了温度所带来的影响。从理论上分析了温度变化对机电阻抗的影响,以精密惯性仪表动压气浮轴承结构为研究对象,探究了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,建立了仿真模型,研究了温度对粘贴在结构上的PZT信号的影响规律,并通过试验验证了PZT信号对温度的敏感性受频段影响。研究表明,温度升高会使得阻抗信号的峰值频率向左偏移,且波峰幅值也会随温度升高而下降。同时,激励频率越低,峰值频率偏移量越小,波峰幅值变化越显著。研究验证了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,为机电阻抗检测技术的应用提供了技术支撑,为复杂精密惯性仪表的健康检测提供了理论依据。

随着海洋科学建设的发展,潜航器应用逐渐向深远海、多功能、远航程和超高航速方向发展。组合导航系统因可靠性高、实时性好而广泛用于深海导航中。随着潜航器规模的增加和任务环境的复杂,导航系统的故障率也在升高,一旦发生故障将导致系统失效甚至任务中断。因此,有必要建立完备的故障检测方案,及时发现故障并进行修正,以提高复杂任务可靠性。传统故障检测方法依赖于先验知识或模型,目前已实现较好应用,但在应对复杂系统和多源、高维数据等情况时,基于智能算法建立的故障检测技术优势凸显。首先,结合深海环境特点和潜航器的导航方案,对传统方法和和基于智能算法的检测方法进行介绍;然后,基于案例对不同检测方法的特点及在水下环境中的应用进行分析,并对故障检测方法的研究进展进行总结;最后,讨论了未来深海潜航器组合导航系统故障检测方法研究方向。

行人运动模态的准确辨识可以辅助步态检测。针对行人连续运动模态下步态检测不准确的问题,提出了基于模态辨识的多条件约束步态检测算法。首先,根据行人的运动特征和手持终端的姿态特征,引入有限状态机思想构建轻量级分类器,识别行人三种运动状态(静止、行走和跑步)以及终端三种使用模式(平端、电话和摆臂),以提高步态检测的适应性。然后,通过极值约束、周期性约束与峰谷值匹配机制提高步态检测精度。最后,通过相邻波峰/波谷替代机制剔除伪波峰/波谷,以达到更为精准的步态检测。实验结果表明,该算法在单一运动模态下的步态检测精度最小为98.89%,在连续复杂模态下的总体检测精度为100%,具有较强的准确度和鲁棒性。

针对捷联惯组在生产过程中数据分析复杂、故障定位不精准、全生命周期管理困难的问题,提出了一种新的基于数字孪生的捷联惯组运行维护技术。将数字孪生与捷联惯组相结合,为捷联惯组复杂的设计、生产、全生命周期运行维护提供新的思路。通过设计基于捷联惯组全要素可视化的数字孪生系统,对装备进行全生命周期数据管理。基于实际生产的结果表明:所提技术能够在虚拟空间中复现物理实体,借助历史数据、实时数据、技术知识、处理算法、功能模型等,在捷联惯组全生命周期各环节实现物理空间与数字空间的实时交互应用,建立捷联惯组故障库,实现数字化健康管理。

在惯性导航系统中,加速度计输出的电流信号需要通过模数转换电路转换为输出脉冲。针对惯导系统中I/F模数转换电路输出脉冲与输入电流因器件不理想而存在非线性失真的问题,提出了一种二级补偿算法。该算法通过建立温度补偿模型和线性度补偿模型,对电路的线性度进行二级补偿,弥补了温度变化引起的误差,同时解决了硬件仅补偿一阶误差的问题,使模数转换电路在器件参数不理想的情况下仍能在大量程环境中保持高精度。将其应用到实际电路中,经实验验证表明,该算法能将模数转换电路的非线性指标从7.20×10^-4降到4.93×10^-6,有效减少了器件不理想所带来的非线性失真。

随着航空航天领域对飞机、火箭等大型舱段类产品的装配精度和自动化程度要求不断提高,大型舱段的对接装配模式由原来“目视人喊手工推”的人工作业模式正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对这一问题,设计了一套基于机器视觉的自动对接系统,提出了一种基于两套单目视觉的大型舱段相对位姿测量方法。系统通过两套单目视觉独立测量舱段表面靶标位姿,结合预先标定的靶标和舱段的位置关系,对两套单目视觉测量结果进行融合解算,得到最终的舱段对接姿态,引导六自由度调姿平台实现大型舱段的自动对接。实验结果表明,该系统的测量精度优于0.04 mm,对接精度优于0.3 mm,具有较强的应用价值。

针对惯性平台系统内部框架结构复杂及其整机封闭测试过程中内部框架运动位置难以准确描述,提出了一种惯性平台数字模型可视化与内部框架驱动方法,并利用Qt/OpenGL开发了惯性平台三维可视化在线测试与示教系统。通过三维CAD建模软件对惯性平台进行建模,确定了OpenGL与三维CAD建模软件接口以及数字样机与实际平台测试接口。基于实时/离线平台全功能测试表明:该系统实现了数字样机对实际平台框架运动的实时跟随,直观地展示了平台内部框架结构以及框架运动过程中的相对位置关系,有效地提高了平台测试人员间的现场交流与培训效果。