华中光电技术研究所 — 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
为了满足非完整周旋转轴系倾角回转误差测试分析需求, 在数学建模轨迹分析基础上研究了一种新的轴系倾角回转误差测试分析方法。首先, 采用四元数方法对测试中平面镜和准直仪安装误差数学建模, 证明了两者安装误差引起待测轴转动过程中准直仪靶面光十字丝轨迹为椭圆, 当误差为小量时轨迹退化为圆心不在原点的圆。然后, 基于最小二乘原理建立了轨迹圆参数圆心和半径拟合方法, 在测试数据中去除平面镜和准直仪安装误差的影响。最后, 分别开展了仿真分析与实验测试对方法的有效性和可靠性进行了验证。结果表明：轨迹参数法在非完整周旋转轴系倾角回转误差测试中具有独特优势, 可以作为传统傅里叶级数法有益补充, 且该方法无需精调平面镜, 在一定程度上提高了测试分析效率。
倾角回转误差 安装误差 四元数 最小二乘 傅里叶级数 rotation error installation errors quaternion least square Fourier series
华中光电技术研究所智能光电与数字制造实验室，湖北 武汉 430223
针对离散式光学系统光轴指向误差标校需求，研究了一种基于测星法的光轴指向误差数字化标校技术。以某型离散式光学系统为例，采用四元数数学方法推导了含有光机结构加工装配误差以及传感器测量误差在内共计11个系统误差参量的地理系光轴指向模型。将指向模型中包含误差参数的三角函数项泰勒级数展开并作一阶近似处理将方程线性化。通过最小二乘原理获得了光路中系统误差解算模型。基于天文导航基本原理建立了以星体为目标的标校基准。通过实验测试完成了光轴指向误差数字化标校技术原理验证。分析表明：通过测星法光轴指向误差数字化标校能够大幅提高离散式光学系统光轴指向精度。本文研究方法和结论可以为离散式光学系统光轴指向误差标校提供参考。
离散式光学系统 指向误差 数字化标校 测星法 四元数 光学学报
2023, 43(18): 1812004
1 北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室, 北京 100000
2 现代测控技术教育部重点实验室, 北京 100000
针对基于惯性测量单元(IMU)的姿态解算算法噪声大、精度低且无法准确解算偏航方向上姿态角变化的问题, 提出一种基于共轭梯度算法的MARG传感器系统姿态解算方法。使用加速度计和磁强计测量姿态误差, 通过共轭梯度算法对陀螺仪姿态四元数进行补偿和修正, 对数据加权融合求解得到飞行器姿态四元数。利用三轴转台对算法稳定性和准确性进行验证, 结果表明, 该算法能够有效抑制测量噪声, 提高姿态角解算的精度。
姿态解算 共轭梯度 四元数 attitude calculation MARG MARG conjugate gradient quaternion
1 河南理工大学 电气学院, 河南 焦作 454000
2 平煤股份煤炭开采利用研究院, 河南 平顶山 467000
3 河南天通电力公司, 河南 平顶山 467000
为了减少因杆塔倾斜造成的电力事故, 该文设计了用于野外杆塔的姿态监测系统。系统主要采用误差状态卡尔曼(ESKF)算法对原始信号进行滤波处理, 再通过欧拉角和四元数变换的方法进行姿态解算。通过在每次迭代中产生新的对应特征来递归地校正估计的状态, 并保持系统在计算上满足四元数的约束, 实现陀螺仪和加速度计的随机误差补偿滤波。处理后的数据经过无线传输模块传至后台服务器, 最终实现远程监控。通过实验室验证与实地测试一段时间后, 结果表明, 系统功能稳定, 精度高, 满足了杆塔的倾斜检测。
输电杆塔 惯性测量单元 四元数 误差状态卡尔曼(ESKF)滤波 在线监测 transmission tower inertial measurement unit quaternion error state Kalman(ESKF) filtering online monitoring
1 南京航空航天大学,a.自动化学院
2 南京航空航天大学 b.中小型无人机先进技术工信部重点实验室，南京 210000
针对GPS信号丢失导致组合导航算法精度降低甚至发散的难题，开展一种高效的自适应平滑切换融合算法研究。在GPS信号正常情况下，采用基于GPS量测的高阶组合导航算法估计姿态信息; 在GPS信号丢失时，停止高阶滤波算法并切换为基于四元数的低阶姿态估计算法; 当GPS信号恢复后，将低阶姿态估计算法的估计值作为高阶滤波算法初值，实现姿态估计算法的平滑切换。仿真结果和试飞试验表明,该切换策略具有较好的估计精度和可实现性，且切换过程中姿态角跳变小于0.5°，收敛时间小于0.1 s，有效地提高了有、无GPS信号情况下无人机的姿态估计精度。
无人机 姿态估计 扩展Kalman滤波 平滑切换 四元数 UAV attitude estimation extended Kalman filter smooth switching quaternion
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林长春30033
2 中国科学院大学， 北京100049
3 中国科学院 天基动态快速光学成像技术重点实验室， 吉林长春100
针对现有算法卫星姿态确定中模型参数估计不准确，系统存在外界干扰下稳定性差和跟踪精度不足的问题，提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法，对卫星三轴姿态进行估计。首先分析了陀螺和星敏组合定姿的工作原理，然后推导了以误差四元数为状态变量的卫星姿态运动学方程。滤波过程中，该算法引入自适应矩阵，对量测噪声协方差矩阵进行调整；依据滤波发散判别准则，对系统噪声协方差矩阵进行自适应修正，抑制滤波过程中可能的发散情形，获得了良好的自适应性能。实验结果表明，在参数估计不准确时，自适应无迹卡尔曼滤波相比鲁棒自适应UKF算法，三轴估计精度的均方根误差（RMSE）分别提升了30.0%，34.1%，22.4%。该算法基本满足卫星姿态确定的高精度、强鲁棒性等要求。
卫星姿态确定 自适应滤波 误差四元数 鲁棒性 satellite attitude determination adaptive filtering error quaternion robustness
1 江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013
2 中国科学院 南京天文仪器有限公司, 南京 210042
为了减少多个星敏感器地面热漂移标定时受到不同安装平台的位置误差影响,采取一种多星敏感器地面热漂移标定位置误差检测方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了-25℃~60℃真空状态下系统中基准方棱镜变形的位置偏移量数据, 并进行了标定位置误差精度分析。结果表明, 多星敏感器位置绕各轴产生的最大偏移量分别为-39.341″/℃,-0.060″/℃,-24.137″/℃, 通过建立误差检测模型对位置误差进行计算, 将其从姿态测量结果的偏移量中剔除后获得更准确的星敏感器姿态测量四元数, 剔除位置误差后的系统精度至少提高了11%。该研究在提高星敏感器热漂移标定精度方面具有很好的应用前景。
测量与计量, 标定位置误差, 四元数姿态解算, 星敏感器 measurement and metrology calibration position error quaternion solution attitude star sensor thermal drift
中国民航大学电子信息与自动化学院, 天津 300300
针对基于MEMS的姿态测量系统因为存在误差而导致姿态解算漂移的问题, 提出一种基于变步长动量梯度下降的姿态解算算法。该算法从传感器数据去噪和姿态解算两部分提高姿态解算精度。在传感器数据去噪方面, 为了工程实用, 降低微处理器计算量, 提出一种改进递推限幅均值滤波算法; 在姿态解算方面, 在梯度下降法的基础上设计自适应步长, 使用动量梯度优化每次迭代方向, 使得每次迭代后误差最小, 同时使用动态限幅滤波抑制角度振荡。静态和动态实验结果均表明了所提算法的有效性和优越性。
姿态解算 动量梯度下降法 变步长 改进递推均值滤波 动态限幅滤波 四元数 attitude calculation momentum gradient descent method variable step size improved recursive mean filter dynamic limiting filter quaternion
1 中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室, 江苏 徐州 221116
系统探讨基于平面特征约束的地面LiDAR点云的高精度融合问题,引入单位四元数作为空间旋转变换的描述算子,给出了三维空间中平面特征的四参数表达方法,在确保数学表达形式唯一的基础上实现对基于平面特征约束的空间相似变换模型的构建。以配准后同名平面特征的参数对等作为约束条件,基于最小二乘准则构建了三维空间相似变换的目标函数,并通过函数的极值化分析实现了平面特征约束下相邻测站LiDAR点云配准参数的迭代求解。最后,分别通过两组实测LiDAR点云数据对算法的正确性与有效性进行验证。结果表明:在求解空间相似变换参数的过程中,借助平面特征的四参数表达法,通过参数对等的条件约束来判断配准后同名特征的一致性,同时满足了同名平面特征之间的法向一致与距离为零两个约束条件;四元数的引入使空间相似变换模型的表达形式更加简洁,配准过程中的附加约束条件更少,在实验方案中,给定任意的未知参数初值,所提算法均能够运行并得到正确结果。
图像处理 空间相似变换 LiDAR 点云 配准 四元数 光学学报
2020, 40(23): 2310001
