基于捷联惯性传感的吊钩姿态估计技术研究

发布时间：2017-08-14 07:44

  本文关键词：基于捷联惯性传感的吊钩姿态估计技术研究

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【摘要】：随着我国工业经济不断发展,起重机被广泛应用于港口作业、建筑施工、车站建设等各个领域。面对起重量增大,作业速度加快的市场需求,检测起重机吊钩移动摆角、摆向、位置,为操作员提供高精度吊钩姿态参数,以保证起重机安全高效作业,具有重要工程意义。本文将捷联惯性传感技术引入吊钩姿态估计系统中,在分析吊钩三维运动模型基础上,采用数据融合算法,实现姿态实时检测。针对吊钩的特殊结构,分析了该技术的可行性。提出了方向余弦矩阵、欧拉角、姿态四元数等算法更新姿态,并结合本文设计的模拟吊钩系统,选定四元数法对吊钩姿态进行解算。建立吊钩运动姿态数学模型,给出吊钩姿态估计系统的整体框图,并对吊钩运动过程进行分析；利用球面三角形等原理,消除了吊钩扭转影响；分析研究了吊钩运动摆角、投影摆向角等关键姿态参数。针对陀螺仪、加速度计、磁强计等传感器零漂误差等问题,基于多传感器数据融合思想,设计了传统互补滤波数据融合算法,并提出基于模糊逻辑的自适应互补滤波算法,以抑制外部加速度影响。同时,采用扩展卡尔曼滤波算法对吊钩姿态解算,并与互补滤波算法比较。在保证解算实时性的基础上,扩展卡尔曼滤波算法精度最高,得到姿态角误差范围为偏航角小于2°,俯仰角小于1°,横滚角小于1.5°,摆角小于0.5。,投影偏向角小于全角度范围的2.5%。利用惯性传感器与磁强计集成模块iNEMO平台,实现了吊钩姿态估计算法的应用,为不干扰吊钩运动,通过无线通讯将吊钩姿态信息传送至上位机显示。设计了视觉测量系统,将其结果与捷联惯性技术得到的吊钩姿态估计信息作对比。实验结果表明：本文设计的吊钩姿态估计系统可有效融合多传感器数据,能够在不影响吊钩作业的条件下,无线完成监测,得到高精度吊钩姿态信息,具有良好的工程应用前景。
【关键词】：吊钩姿态 捷联惯性传感 数据融合 无线传输 视觉测量
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题背景8-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 惯性导航技术研究现状10-14
• 1.2.2 吊钩姿态测量技术研究现状14-17
• 1.3 本课题研究的主要内容17-18
• 2 捷联惯性传感技术18-28
• 2.1 捷联惯性传感概述18-19
• 2.2 吊钩参考坐标系及坐标变换19-21
• 2.2.1 常用坐标系19-20
• 2.2.2 参考坐标系间变换20-21
• 2.3 捷联惯性传感姿态矩阵更新算法21-27
• 2.3.1 方向余弦微分方程22
• 2.3.2 欧拉角微分方程22
• 2.3.3 四元数微分方程22-24
• 2.3.4 欧拉角更新24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 吊钩运动姿态分析28-36
• 3.1 吊钩姿态估计系统28-29
• 3.2 吊钩运动分析29-31
• 3.3 吊钩姿态估计31-35
• 3.3.1 吊钩欧拉角分析31-32
• 3.3.2 吊钩运动摆角分析32-34
• 3.3.3 吊钩运动投影偏向角分析34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 吊钩姿态的多传感器融合算法36-50
• 4.1 多传感器数据融合36-38
• 4.2 互补滤波器38-45
• 4.2.1 野值滤除与补偿38-41
• 4.2.2 传统互补滤波器41-43
• 4.2.3 自适应互补滤波器43-45
• 4.3 扩展卡尔曼滤波器45-49
• 4.3.1 卡尔曼滤波器概述45-47
• 4.3.2 扩展卡尔曼滤波算法47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 5 吊钩姿态估计系统实物实验50-66
• 5.1 吊钩姿态估计硬件系统设计50-55
• 5.1.1 捷联惯性传感平台51-53
• 5.1.2 无线传输单元53-54
• 5.1.3 视觉检测参考平台54-55
• 5.2 吊钩姿态估计软件系统设计55-57
• 5.2.1 姿态估计算法实现55-56
• 5.2.2 上位机界面56-57
• 5.3 实验测试57-65
• 5.3.1 传感器数据预处理实验57-59
• 5.3.2 吊钩欧拉角估计实验59-62
• 5.3.3 吊钩摆角与投影偏向角估计实验62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 高丙团;张罗马;范怡然;朱振宇;周勰;;基于MEMS的吊车系统摆角无线测量[J];传感器与微系统;2014年09期

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本文编号：671554