1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
4 中国科学院大学 杭州高等研究院 基础物理与数学科学学院, 杭州 310024
为了满足惯性传感器地面弱力测量系统的超高温度稳定性要求，对整个系统进行了热设计。首先，介绍了惯性传感器地面弱力测量系统的结构、敏感结构传热路径和内部热源。其次，根据系统热控指标要求，提出了采用三级热控结构和比例积分微分(PID)控制算法相结合的高精度热控方式，减少温度噪声对惯性传感器探测灵敏度的影响。然后，采用UG/NX软件建立有限元模型，并进行了不同工况条件下的热分析计算，得到了惯性传感器地面弱力测量系统在时域上达到平衡后的温度变化值为(1.2~1.6) ×10−5 K。最后，将惯性传感器地面弱力测量系统在时域上的温度分布在频域上进行描述，得到惯性传感器敏感结构的温度稳定性结果。分析结果表明，在当前热控措施下，惯性传感器敏感结构的温度稳定性均优于10−4 K/Hz1/2，满足热控指标需求，热设计方案合理可行。
引力波 惯性传感器 热设计 PID控制 gravitational wave inertial sensor thermal design PID control 光学 精密工程
2023, 31(11): 1593
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室-仿生视觉系统实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
视觉惯性信息融合的同时定位和建图(SLAM)技术是机器人导航领域的热点问题。多模态数据同步是数据融合算法的前提,其关键在于获取不同传感器采集时刻的准确时间戳。视觉传感器的时间戳可通过硬件方法准确获得,而惯性传感器的时间戳通常粗略地用输出时间代替,这必将导致视觉惯性融合算法精度的降低。针对该问题提出了一种视觉惯性传感器的时间同步标定方法。首先设计了一种基于平面单摆的标定装置,视觉传感器与惯性传感器在平面单摆运动中独立捕获数据,并基于同一时钟添加时间标记;其次,提出了基于最小二乘法估计摆锤重心角位移函数和角速度函数的方法;最后,通过比较两个函数的相位差获得惯性传感器的输出延时和时间戳。实验结果表明所提方法的重复标定均方差为0.018 ms,这证明所提方法的有效性。
机器视觉 时间同步标定 单摆标定装置 视觉惯性同步 视觉惯性传感器 数据采集时间戳 光学学报
2021, 41(24): 2415002
重庆理工大学电气与电子工程学院, 重庆 400054
为提高室内定位精度,提出一种基于混合到达时间/接收信号强度(TOA/RSS)信息的定位方法。针对室内可见光定位中存在的多径效应造成的定位非线性误差,引入前置无迹卡尔曼滤波的粒子滤波算法,将TOA信息与RSS信息相融合,达到修正非线性误差的目的。然后综合考虑接收端惯性传感参数,对接收端进行运动分析,提升估算坐标的精度。在长宽均为5m、高度为3m的室内进行定位仿真,在12W发光二极管(LED)发射功率下,所提方法获得了平均定位误差为2.02cm的定位精度。仿真结果证明,所提定位方法的定位性能总体优于指纹定位方法和三边定位的RSS定位方法,具有较强的鲁棒性和较低的定位延迟。
光通信 可见光定位 非线性误差 到达时间 信号接收强度 信息融合 惯性传感
中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621999
高过载条件下姿态测量是一个公认的难题, 其原因主要是角速度传感器难以经受高过载的冲击。基于微机电系统(MEMS)技术的陀螺作为解决高过载姿态测量问题的核心器件, 其抗高过载能力直接制约着惯性导航系统在高过载环境中的应用。首先, 介绍了弹药发射和侵彻两种典型高过载环境的特性, 概括了在高过载环境中MEMS陀螺的响应类型; 其次, 总结了高过载条件下MEMS陀螺的失效模式, 包括完全失效和功能性失效; 然后, 介绍了国内外在抗高过载MEMS陀螺方面的研究进展; 最后, 分别从器件设计和工程应用角度出发, 提出了MEMS陀螺抗高过载的设计方法和应用思路。
惯性传感器 高过载 姿态测量 微机电系统(MEMS)陀螺 失效模式 inertial sensor high overload attitude measurement MEMS gyroscope failure mode
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京100049
惯性传感器被广泛应用于地球重力场反演、等效原理验证等科学实验中, 用来测量空间非保守力作用引起的微小加速度扰动以实现航天器的无拖曳控制。目前国内外正在大力开展的空间引力波探测计划中, 惯性传感器作为核心测量载荷主要用于屏蔽外界噪声扰动, 并通过静电控制和微推进器的测量及补偿实现测试质量在空间敏感轴方向自由漂浮运动。本文以静电悬浮式惯性传感器电容结构为基础, 结合系统静电力驱动控制的工作原理, 并以实际的加工条件为依据, 对电极不对称性这一系统自身的误差来源展开分析, 通过对各种不对称情况的系统性能影响比较分析, 得到电极不对称性对于系统性能, 特别是量程损失的影响显著。在此基础上结合实际加工条件得出将加工线度尺寸误差控制在10 μm以内, 面积不对称性控制在1%~2%之间的基本要求, 以降低其对系统测量范围的限制, 进而提高科学目标。
惯性传感器 敏感结构 电极不对称 量程 inertial sensor sensitive structure electrode asymmetry measuring range
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
实时跌倒检测能有效降低老人因跌倒导致的身心伤害, 提高老人的独居能力和健康水平。为提高基于惯性传感器的跌倒检测系统的准确率, 降低系统误报率和漏报率, 提出了应用基于径向基函数的支持向量机算法实现跌倒判定。首先, 应用佩戴在人体腰间的便携式跌倒检测系统完成数据的采集; 然后, 利用基于径向基函数(RBF)的SVM分类器标记疑似跌倒行为, 并利用粒子群算法完成分类算法中惩罚因子C和RBF参数g的优化。结果表明, 在区分跌倒与类似跌倒的日常活动时, 基于SVM算法的跌倒检测系统准确率、误报率和漏报率分别为97.67%, 4.0%和0.67%。与传统的阈值方法相比, 跌倒检测性能有很大提高, 从而加强了该系统在老人跌倒检测中的应用。
跌倒检测 惯性传感器 机器学习 支持向量机 粒子群优化 径向基函数 fall detection inertial sensor machine learning SVM Particle Swarm Optimization RBF
军械工程学院军械技术研究所, 河北 石家庄 050003
为满足现代复合光电系统多光轴一致性的在线检测需求, 提出一种基于光学自动瞄准和惯性测量的大间距多光轴夹角测量方法。利用惯性传感器提供一个准确且可移动的基准坐标系, 瞄准被测光轴并测量其在基准坐标系中的单位向量坐标, 再由向量坐标计算光轴夹角, 以此检测光轴一致性。构建了测量系统的原理样机, 并采用蒙特卡罗法对其测量不确定度进行评定。对复合光电系统中激光测距机与红外热像仪的光轴一致性进行实际检测, 实验结果表明, 激光发射轴与瞄准轴的一致性测量误差为24.4″, 红外热像仪光轴与瞄准轴的一致性测量误差为27.0″。采用移动测量的方式, 扩大了测量范围、提高了测量效率, 为野外环境下大间距多光轴一致性在线检测提供了一种有效的手段。
测量 多光轴一致性 在线检测 大间距 惯性传感器
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
针对介入式内窥手术中手术器械实时定位的需要，提出基于惯性导航的手术定位方法，该方法既能够有效避免传统光学定位(OPT)中视线遮挡引发的定位区域受限问题，又能够克服电磁定位(EMT)对磁场干扰过于敏感的问题。从姿态估计与位置定位两个方面分析了传感器干扰的影响，并改进了已有的抗干扰技术。实验结果表明，在磁干扰情况下，姿态估计的误差在3°以内，位置测量的误差在4 mm 以内，均达到临床应用要求。
传感器 内窥手术 惯性传感 磁干扰 自适应处理
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
由于测控成本和有效载荷的限制, 一般采用微机电系统(MEMS)惯性传感器来测量小型无人机的飞行姿态。在MC9S12XS128单片机上通过嵌入式软件编程实现了卡尔曼滤波算法, 并在JZJ-1型自准直仪转台上对MEMS加速度计和陀螺仪的输出信号进行了数据融合试验, 较好地解决了MEMS惯性测量系统的零漂和机械振动干扰问题。
姿态测量 微机电系统 惯性传感器 卡尔曼滤波 attitude determination MEMS inertial sensor Kalman filter
