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基于微机电系统(MEMS)的惯性测量单元的设计与开发

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基于微机电系统(MEMS)的惯性测量单元的设计与开发

作者：刘斌南京航空航天大学

学位级别：硕士

本文设计开发了基于微机电系统的小型惯性测量单元,实现无人机三轴加速度、三轴角速率、滚转角和俯仰角等姿态信息的测量。论文首先提出了基于微机电系统的小型惯性测量单元的硬件总体设计方案。该方案将惯性测量单元分为三块彼此相互... 详细信息

本文设计开发了基于微机电系统的小型惯性测量单元,实现无人机三轴加速度、三轴角速率、滚转角和俯仰角等姿态信息的测量。论文首先提出了基于微机电系统的小型惯性测量单元的硬件总体设计方案。该方案将惯性测量单元分为三块彼此相互垂直的电路板,满足系统要测量三个轴的姿态信息的要求,同时兼顾了小型化、低成本的需求。其次,分析比较了常用的滤波算法。对目前工程上常用的滤波算法就其各自的优缺点、适用范围进行了比较,并根据MEMS传感器信号的特性选择卡尔曼滤波器和互补滤波器。再次,详细设计了姿态融合算法。针对MEMS传感器测量的信号自身存在诸如掺杂噪声、随温度和时间漂移等缺点,设计了滤除噪声、漂移补偿的卡尔曼滤波器。同时,针对传感器无法直接得到滚转角、俯仰角,设计了融合算法,实现了姿态信号的输出。论文还设计了微控制器捕获加速度计的PWM信号,解决了A/D转换器通道冲突的问题。根据系统运行的需求,设计开发了底层驱动和数据传输协议。最后,对整个系统进行了综合测试,测试结果验证了系统设计的有效性和正确性。

关键词：无人机惯性测量单元 MEMS 姿态角 PWM 算法融合

基于惯性测量单元的飞机舵面偏角外部测量方法研究

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基于惯性测量单元的飞机舵面偏角外部测量方法研究

作者：牛浩然浙江大学

学位级别：硕士

飞机舵面是控制飞机姿态和飞行方向的活动部件,对于飞机的安全性和飞行性能至关重要。舵面偏角的微小变化会对飞机姿态造成影响,因此在飞机总装阶段需要进行精确的外部测试,以保证舵面能够正确响应各种操纵指令。目前飞机总装阶段采用... 详细信息

飞机舵面是控制飞机姿态和飞行方向的活动部件,对于飞机的安全性和飞行性能至关重要。舵面偏角的微小变化会对飞机姿态造成影响,因此在飞机总装阶段需要进行精确的外部测试,以保证舵面能够正确响应各种操纵指令。目前飞机总装阶段采用惯性传感器测量飞机舵面偏角,该方法存在传感器测量误差与安装误差,导致采集的角度数据不可靠,不能满足测试要求。针对上述问题,本文开展惯性测量单元姿态估计算法与舵面偏角计算方法的研究,并设计一套舵面偏角外部测量系统,实现对飞机舵面偏角的高精度外部测量。论文的主要研究内容如下:首先,针对敏感轴与水平面接近垂直时引起的传感器测量精度降低问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波的姿态估计改进算法。该方法通过对加速度计输出数据进行可靠性判断,建立四个测量噪声矩阵,并将观测模型中的重力场与磁力场解耦合,实现传感器在敏感轴接近垂直时的高精度测量。通过实验对比四种算法的测量精度与计算效率,验证改进后的姿态估计算法的有效性,为计算舵面偏角提供有效的姿态信息。其次,针对由传感器安装误差引起舵面偏角的测量精度下降问题,提出一种基于增量四元数的舵面偏角计算方法。该方法以四元数与轴角对的变换关系为基础,建立适用于飞机各个舵面的单轴旋转运动模型。通过使用滑动窗口、随机采样一致性和平均滤波等方法,完成对舵面旋转轴的姿态估计,并采用阈值判断方法提高计算舵面偏角的鲁棒性。经实验验证,提出的轴角计算方法具有较好的动、静态性能。最后,设计舵面偏角测量系统的总体架构,确定设备组成、硬件选型与现场布局,分析软件功能需求,对主要功能模块进行设计与实现。对所开发的舵面偏角测量系统进行测试,结果显示系统测量旋转轴水平舵面偏角的最大误差为0.09°,测量方向舵偏角的最大误差为0.16°,能够满足飞机舵面偏角外部测量需求。

关键词：舵面偏角测量惯性测量单元容积卡尔曼滤波轴角计算

基于惯性测量单元的手势/手部状态识别与书写识别研究

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基于惯性测量单元的手势/手部状态识别与书写识别研究

作者：李卓峰吉林大学

学位级别：硕士

随着计算机技术快速发展,人机交互领域中的自然交互成为了研究热点,以文本识别、手势识别、语音识别、情景识别等技术为代表的自然行为识别技术也逐渐地受到重视。书写行为是人类自然行为的一种,然而书写识别技术仍存在不足。目前,基于... 详细信息

随着计算机技术快速发展,人机交互领域中的自然交互成为了研究热点,以文本识别、手势识别、语音识别、情景识别等技术为代表的自然行为识别技术也逐渐地受到重视。书写行为是人类自然行为的一种,然而书写识别技术仍存在不足。目前,基于摄像头的光学文字识别技术已经成熟,然而光线遮挡问题成为了实际书写识别应用的一大难点。另一方面基于书写板的书写识别技术已进入我们生活,然而书写板也限制了设备整体便携性与在纸-笔书写环境或任意书写表面下的实用性。为解决当前技术所存在问题,本文从手势识别问题着手,探索文字识别技术的可行性。本文提出了基于单个惯性测量单元的手势与手部状态识别技术,并围绕该技术设计了相关实验与搭建了实时识别原型系统:本文首先可视化分析了惯性测量单元的手部状态数据与手势数据,明确了数据在时域上与频域上的特点,为数据集构建与神经网络搭建提供指导经验。其次,构建了手部状态与手势的小型数据集,为后续模型训练提供训练、测试数据。再次,针对数据在时域和频域的差异性提出了神经网络的差异化结构,实验并评估了神经网络识别方法。最后,构建了基于神经网络识别方法的实时程序以验证识别技术的实际可行性、实验评估了实时程序的实时运算能力。实验结果表明,使用惯性测量单元测量的手势数据与手部状态数据可被神经网络准确识别,且计算耗时满足实时运算要求。该部分研究也证明了后续实验中书写识别的笔画识别与笔尖触碰识别的可行性,提供了建立书写识别模型的指导经验。文字识别过程可被视为一系列简单手势(笔画)的识别过程。因此,基于上部分研究实验结果,本文进行了基于笔画序列的大写字母识别研究。本文首先建立了手势识别与书写识别的联系,提出了以笔画序列为基础的书写识别技术路线。其次,采集并标注了26个大写字母及其包含笔画的惯性测量单元数据。再者,根据数据集包含的笔画种类设计了描述大写字母的笔画最小全集。再次,构建并训练了基于频域与低频时域特征融合的识别网络,同时完成了笔尖触碰识别与笔画识别,设计整体评估实验与消融实验验证了模型的有效性。从次,针对笔画路径重复问题,提出了基于笔画持续时间的额外分类方法,并使用方差分析方法分析了额外分类方法的可行性。最后,验证分类方法整体表现,分析了在已知使用者和未知使用者两种情况下的表现,并搭建实时系统验证实时计算的可行性。实验结果表明,使用单个惯性测量单元可准确地识别书写大写字母。具体的,识别模型帧识别正确率为98.2%;结合额外分类方法后整体笔画错误率达到0.6%,字错误率达到4.1%;模拟未知使用者情况,笔画错误率达到6.5%,字错误率达到12.7%。

关键词：人机交互书写识别手势识别触碰识别惯性测量单元

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ESC惯性测量单元的研究与开发

ESC惯性测量单元的研究与开发

作者：王利双燕山大学

学位级别：硕士

汽车电子稳定控制系统ESC(Electronic Stability Control System)是通过比较汽车的实际行驶轨迹和驾驶员期望行驶轨迹之间的差别，对相应车轮施加制动力或控制发动机输出转矩来调节汽车所受的横摆力矩，从而使汽车回到驾驶员名义的行驶... 详细信息

汽车电子稳定控制系统ESC(Electronic Stability Control System)是通过比较汽车的实际行驶轨迹和驾驶员期望行驶轨迹之间的差别，对相应车轮施加制动力或控制发动机输出转矩来调节汽车所受的横摆力矩，从而使汽车回到驾驶员名义的行驶轨迹上。惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit)是汽车电子稳定控制系统的重要组成部分，它用来测量汽车行驶过程中的横摆角速度，侧向加速度以及纵向加速度。ESC的控制目标是横摆角速度和质心侧偏角,它们是通过惯性测量单元直接或间接测量的。本文设计了IMU。IMU硬件电路包括电源稳压电路，微处理器外围电路，惯性传感器外围电路以及CAN通讯电路。IMU分为信号采集，信号处理，信号传输三部分。信号采集部分选用数字型惯性传感器，直接通过SPI通信将采集到的信号发送给单片机，省去了模数转换这个步骤。信号处理部分对采集到的惯性传感器原始信号进行小波滤波处理，首先通过MATLAB仿真分析选出适合惯性单元信号的小波变换的各个参数，然后设计惯性测量单元信号的小波滤波器。信号传输部分采用CAN通信将IMU信号发送到ESC。IMU软件程序包括引导加载程序和应用程序。引导加载程序基于CAN通信，用来对应用程序进行擦写和烧录。应用程序用来对采集到的信号进行滤波处理，并通过CAN通信发送到CAN总线。测试结果证明，本文设计的惯性测量单元，能准确测量汽车在各路况中的横摆角速度、侧向加速度及纵向加速度信号，满足ESC系统对惯性信号的精确性要求。

关键词：惯性测量单元电子稳定控制系统信号处理小波变换

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惯性测量单元标定测试装夹方法研究

电子质量 2019年第1期 9-13页

作者：马宇洛中国空空导弹研究院

惯导系统是精确制导武器中不可或缺的重要组成部分,出于精度的考量,惯导系统中的惯性测量单元一般都要进行标定测试。而惯性测量单元标定测试周期较长,一直是全弹生产的瓶颈之一。因此,研究标定测试装夹方法,优化标定测试设备,提高标定... 详细信息

惯导系统是精确制导武器中不可或缺的重要组成部分,出于精度的考量,惯导系统中的惯性测量单元一般都要进行标定测试。而惯性测量单元标定测试周期较长,一直是全弹生产的瓶颈之一。因此,研究标定测试装夹方法,优化标定测试设备,提高标定测试效率,对全弹生产来说具有重要意义。该文通过对惯性测量单元的标定测试所用的"单轴转台+翻转机构"的方式和"三轴转台"的方式研究对比发现,"三轴转台"的性能明显优于"单轴转台+翻转机构"的形式。对三轴台装夹方式的选择中,从安装难度、台体设计难度、测试效率等方面的对比,最终选择两发产品头对背同向装夹方式。基于三轴转台的惯性测量单元装夹,也对后续型号惯性测量单元标定测试设备研制具有重大的借鉴意义。

关键词：惯性测量单元标定测试三轴转台装夹

基于惯性测量单元的机械臂运动学参数估计算法研究

维普期刊数据库

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基于惯性测量单元的机械臂运动学参数估计算法研究

作者：周睿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

机械臂的运动学参数标定对提高机械臂的定位精度有着重要意义。由于现有的机械臂运动学参数标定方法所需要的末端执行器如激光跟踪仪、球杆仪以及三坐标测量仪等,有操作复杂、占地空间大、实验效率低以及成本高等缺陷,所以寻找一个操作... 详细信息

机械臂的运动学参数标定对提高机械臂的定位精度有着重要意义。由于现有的机械臂运动学参数标定方法所需要的末端执行器如激光跟踪仪、球杆仪以及三坐标测量仪等,有操作复杂、占地空间大、实验效率低以及成本高等缺陷,所以寻找一个操作简便且实验成本低的机械臂运动学参数标定方法有着重大意义。针对现有的机械臂运动学参数标定方法中所存在的问题,本文提出了一种基于惯性测量单元的机械臂运动学参数标定方法,即将惯性测量单元作为机械臂末端执行器读取末端笛卡尔空间下的加速度数据,通过归一化方程求得机械臂的运动学参数。相比于其它运动学参数标定方法,本文提出的方法操作更简便,效率高,且成本更低廉,随着惯性测量单元的不断更新升级,其精度会更高,由此所标定出的机械臂运动学参数会更加准确,该方法具有很广阔的发展前景。本文首先求解机械臂的雅可比矩阵,然后方程两边求导得到机械臂末端在笛卡尔空间下的加速度与机械臂关节空间下的角度、角速度和角加速度的关系式,并对其进行归一化处理,将所要识别的机械臂运动学参数提出,从而获得机械臂末端的线加速度与机械臂的运动学参数的关系表达式。基于以上理论,本文将UR(Universal Robot)工业机械臂的运动学模型带入上述理论进行推导,从而得到后面仿真实验时所用到的UR机械臂的运动学参数估计算法的推导公式。其次,由于递推最小二乘具有收敛速度快、占用内存小、精度高以及可实时计算等优点,所以本文采用的参数辨识方法为递推最小二乘方法。本文首先介绍了递推最小二乘法的理论原理以及推导公式,然后基于上述理论,推导出对六自由度工业机械臂进行参数辨识的理论公式。最后,在ROS平台下进行UR10机械臂的仿真实验,模拟在真实机械臂运动学参数标定中所能遇到的情况进行探究,并将最后的仿真结果的准确性进行对比分析,从而说明了本课题基于惯性测量单元的机械臂运动学参数辨识研究具有一定的实际应用意义。

关键词：惯性测量单元运动学标定机械臂

基于惯性测量单元对不同足落地模式跑者跑步下肢运动学及其测量准确性的研究

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基于惯性测量单元对不同足落地模式跑者跑步下肢运动学及其测量准...

作者：曾紫薇上海体育学院

学位级别：硕士

研究背景及目的:惯性测量单元(Inertial Measurement Units,IMUs)作为一种便携式运动学测量工具被广泛应用于运动科学领域,其能够在多种运动环境中进行运动评估及监测。在跑步运动中,IMUs的运动学测量结果不仅能实时地反馈跑步过程中的... 详细信息

研究背景及目的:惯性测量单元(Inertial Measurement Units,IMUs)作为一种便携式运动学测量工具被广泛应用于运动科学领域,其能够在多种运动环境中进行运动评估及监测。在跑步运动中,IMUs的运动学测量结果不仅能实时地反馈跑步过程中的运动表现且有利于监测跑者的跑步生物力学,以预防与跑步相关运动损伤的发生。然而,目前仍然缺乏对跑步过程中由IMUs测得的下肢三维运动学测量结果的效度和信度的循证分析。此外,足落地模式作为影响跑步步态的重要潜在风险因素之一,探究足落地模式是否会对跑步时基于IMUs的下肢三维运动学测量结果的效度和信度产生影响是十分必要的,这将有利于为IMUs在不同足落地模式跑者中的应用提供证据和实践支持。基于此,本研究的研究1将通过循证研究以总结和量化由IMUs测得的跑步时的步态时空参数和下肢关节运动学测量结果的信效度水平;进而,通过研究2来讨论足落地模式对下肢关节三维运动学测量结果的影响。研究1:跑步过程中基于IMUs的步态时空参数和下肢关节运动学测量结果的效度和信度的系统性评价和Meta分析研究目的:通过系统性评价和Meta分析,研究在跑步过程中健康成年人基于IMUs的步态时空参数和下肢关节运动学参数的信效度水平的研究进展,为后续研究提供理论及循证证据支持。研究方法:检索Pub Med、CINAHL、Embase、Scopus和Web of Science电子数据库,时间截止到2021年9月。文献纳入标准如下:1)评估IMUs的测量结果的效度和/或信度;2)测量具体的步态时空参数或下肢关节运动学参数;3)将IMUs与参考系统的测量结果进行比较;4)采集跑步过程中的数据;5)测量对象为人类;6)以英文发表。使用改良版的质量评估表进行文献的质量审查。研究结果:有25篇文章被纳入系统性评价,12篇文章的数据被整合进行Meta分析。文献的方法学质量为低质量到中等质量。步幅长[组内相关系数(ICC)(95%置信区间(CI)=0.937(0.859,0.972),p测量结果的信效度水平缺乏充足的证据支持。(2)跑步速度、IMUs的安装位置和跑步路面会影响IMUs测量结果的信效度水平。(3)目前缺乏基于IMUs研究跑步步态运动学的高质量文献。研究2:使用IMUs对不同足落地模式跑者跑步下肢关节三维运动学的效度和信度研究研究目的:为了确定足落地模式对IMUs测量结果的信效度的影响,评估由IMUs测得的后足落地模式(Rearfoot strike pattern,RFS)和非后足落地模式(NonRearfoot strike pattern,NRFS)跑者跑步时的下肢关节三维运动学测量结果的效度和信度。研究方法:15名习惯性男性RFS跑者和15名习惯性男性NRFS跑者参与了这项研究。使用IMUs和光学运动捕捉系统同时采集参与者以12 km/h的速度进行跑步时的下肢关节三维运动学数据。跑步过程中的10个连续的步态被用于收集髋、膝和踝关节的运动学数据,并用于进一步的比较分析。复相关系数(CMC)、系统性误差(SE)、Spearman相关系数(r)和均方根误差(RMSE)被用于效度评估;CMC、SE、ICC及95%CI和RMSE被用于信度评估。研究结果:在矢状面上,偏倚被校正后,两测量系统的关节角度波形间具有较高的相关性(NRFS:CMC=0.924–0.968,SE=4.6°–13.7°;RFS:CMC=0.930–0.965,SE=3.1°–7.7°),但是在额状面和水平面上表现出高的变异性。在矢状面上,由IMUs测得的NRFS和RFS跑者的髋、膝和踝关

关键词：效度信度惯性测量单元跑步运动学 Meta分析

使用MEMS惯性测量单元和拓扑地图的室内定位与导航技术研究

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使用MEMS惯性测量单元和拓扑地图的室内定位与导航技术研究

作者：尹杭电子科技大学

学位级别：硕士

室内定位与导航潜藏着巨大的社会功能和经济效益,鉴于GNSS导航在室内环境中存在严重的信号衰减和多径问题,使用惯性测量单元进行不依赖于外部环境的自主定位与导航技术成为该领域研究的热点。本文即使用MEMS惯性测量单元装配在行人脚部... 详细信息

室内定位与导航潜藏着巨大的社会功能和经济效益,鉴于GNSS导航在室内环境中存在严重的信号衰减和多径问题,使用惯性测量单元进行不依赖于外部环境的自主定位与导航技术成为该领域研究的热点。本文即使用MEMS惯性测量单元装配在行人脚部进行行走动作的测量,并作航位推算,然后结合行人所在室内的拓扑地图估计其在室内的位置和航迹。具体而言,本文在研究和构建完整的基于MEMS惯性测量单元的室内定位与导航试验系统中完成如下工作:首先,本文针对室内定位与导航领域对精度、实时性和成本等各方面的需求,对导航系统平台的架构和整体工作流程做了设计,并针对其中所涉及的MEMS惯性测量传感器精度级别较低的特点进行了误差分析,在对惯性测量传感器的误差分析中,将其测量误差源分为确定性偏差与随机噪声两类,提出了一个综合性的校准方案。其次,传统的行人航位推算方法基于扩展卡尔曼滤波器和对行人脚步站姿的检测方法从而得到最优估计的行人航迹。但这一方法并未考虑惯性测量传感器的确定性偏差,使得推算航迹偏离实际航迹较大。本文所提出的最优航迹推算方案加入了对传感器确定性偏差的校准,通过建立一个综合性的误差模型,将计算得到的确定性校准系数以及Allan方差作为参数用于卡尔曼滤波器中,同时对两类误差进行补偿,根据所使用的传感器,以实际行走总距离为基准,新的方案使得最终航迹推算的位置精度相比传统方法提高了30%左右。然后,本文根据行人航位推算结果使用基于粒子滤波的地图匹配算法估计行人在室内的位置与航迹。这一地图匹配算法需要利用到室内地图中门、房间、走廊等结构信息及其空间关系,本文采用一种容差性的方案提取所需建筑结构并构建室内拓扑地图。不同于已有室内地图拓扑化方案中将走廊作为路径,走廊中拐点作为节点的拓扑数据结构,本文在提取出室内门、房间、走廊等空间结构后,将可以通行的空间作为路径以及将门作为节点进行室内拓扑地图的构建,一方面可以使用可通行空间的轮廓作为路径约束,用于地图匹配所使用粒子滤波算法的重要性采样中,另一方面将房间也纳入到可通行空间中,更加符合实际中行人常常在房间之间进行活动的特点。最后,采用手机客户端实现演示系统,对地图匹配算法进行了实验验证,结果显示最终地图匹配的位置精度可以达到±1.5m左右,行人可以根据匹配结果确定当前所在室内的位置,证明了该室内导航方案的有效性。

关键词：室内定位与导航 MEMS传感器惯性测量单元行人航位推测地图匹配

基于MEMS和DSP技术的低成本小型惯性测量单元的研制

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基于MEMS和DSP技术的低成本小型惯性测量单元的研制

作者：李楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

当前,惯性导航系统正在得到越来越广泛的应用,在有些高技术产品应用方面(例如无人机),需要惯导系统体积非常小,结构紧凑,且成本较低。这就首先要求为惯导系统提供惯性信息(角速度和线加速度)的惯性测量单元满足上述特点。本文通过选用... 详细信息

当前,惯性导航系统正在得到越来越广泛的应用,在有些高技术产品应用方面(例如无人机),需要惯导系统体积非常小,结构紧凑,且成本较低。这就首先要求为惯导系统提供惯性信息(角速度和线加速度)的惯性测量单元满足上述特点。本文通过选用体积小、成本低的MEMS惯性敏感元件,采用轻便的捷联结构,使用ARM处理器进行数字信号处理等方法,研制了一种体积小、成本低,具有民用级性能的三轴惯性测量单元。本文主要研究了:1)研究了捷联惯导的基本理论和MEMS惯性敏感元件的基本工作原理。研究了使用MEMS惯性敏感元件和捷联结构搭建惯性测量单元的方法。并设计了使用模拟MEMS惯性敏感元件以及捷联结构搭建低成本小型惯性测量单元的系统方案。2)研制了单轴模拟试验版惯性测量单元,通过AGV小车搭载试验,验证了使用模拟MEMS惯性敏感元件和捷联结构的低成本小型惯性测量单元可以满足AGV小车一类的应用需要。3)根据AGV小车搭载试验发现的问题,提出了性能更高、体积更小的采用数字MEMS惯性敏感元件的惯性测量单元方案,并研制了该数字式惯性测量单元硬件。4)编制了底层软件,实现了对惯性敏感元件信号的采样功能,编制了FIR滤波和样条插值计算等DSP算法软件,实现了对采集信号的降噪和细化,编制了姿态角计算软件,较准确的测量了载体姿态角度。实验和测试结果表明,本文设计的小型惯性测量单元运行效果良好,通过数字信号处理,MEMS惯性敏感元件提供的角速度和加速度信息更加可靠,性能得以改善。

关键词： MEMS 惯性测量单元 ARM 数字信号处理 FIR滤波器