本文關鍵詞：基于捷聯(lián)慣性傳感的吊鉤姿態(tài)估計技術研究

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【摘要】：隨著我國工業(yè)經(jīng)濟不斷發(fā)展,起重機被廣泛應用于港口作業(yè)、建筑施工、車站建設等各個領域。面對起重量增大,作業(yè)速度加快的市場需求,檢測起重機吊鉤移動擺角、擺向、位置,為操作員提供高精度吊鉤姿態(tài)參數(shù),以保證起重機安全高效作業(yè),具有重要工程意義。本文將捷聯(lián)慣性傳感技術引入吊鉤姿態(tài)估計系統(tǒng)中,在分析吊鉤三維運動模型基礎上,采用數(shù)據(jù)融合算法,實現(xiàn)姿態(tài)實時檢測。針對吊鉤的特殊結構,分析了該技術的可行性。提出了方向余弦矩陣、歐拉角、姿態(tài)四元數(shù)等算法更新姿態(tài),并結合本文設計的模擬吊鉤系統(tǒng),選定四元數(shù)法對吊鉤姿態(tài)進行解算。建立吊鉤運動姿態(tài)數(shù)學模型,給出吊鉤姿態(tài)估計系統(tǒng)的整體框圖,并對吊鉤運動過程進行分析；利用球面三角形等原理,消除了吊鉤扭轉影響；分析研究了吊鉤運動擺角、投影擺向角等關鍵姿態(tài)參數(shù)。針對陀螺儀、加速度計、磁強計等傳感器零漂誤差等問題,基于多傳感器數(shù)據(jù)融合思想,設計了傳統(tǒng)互補濾波數(shù)據(jù)融合算法,并提出基于模糊邏輯的自適應互補濾波算法,以抑制外部加速度影響。同時,采用擴展卡爾曼濾波算法對吊鉤姿態(tài)解算,并與互補濾波算法比較。在保證解算實時性的基礎上,擴展卡爾曼濾波算法精度最高,得到姿態(tài)角誤差范圍為偏航角小于2°,俯仰角小于1°,橫滾角小于1.5°,擺角小于0.5。,投影偏向角小于全角度范圍的2.5%。利用慣性傳感器與磁強計集成模塊iNEMO平臺,實現(xiàn)了吊鉤姿態(tài)估計算法的應用,為不干擾吊鉤運動,通過無線通訊將吊鉤姿態(tài)信息傳送至上位機顯示。設計了視覺測量系統(tǒng),將其結果與捷聯(lián)慣性技術得到的吊鉤姿態(tài)估計信息作對比。實驗結果表明：本文設計的吊鉤姿態(tài)估計系統(tǒng)可有效融合多傳感器數(shù)據(jù),能夠在不影響吊鉤作業(yè)的條件下,無線完成監(jiān)測,得到高精度吊鉤姿態(tài)信息,具有良好的工程應用前景。
【關鍵詞】：吊鉤姿態(tài) 捷聯(lián)慣性傳感 數(shù)據(jù)融合 無線傳輸 視覺測量
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH21
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-18
• 1.1 課題背景8-10
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀10-17
• 1.2.1 慣性導航技術研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.2 吊鉤姿態(tài)測量技術研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3 本課題研究的主要內容17-18
• 2 捷聯(lián)慣性傳感技術18-28
• 2.1 捷聯(lián)慣性傳感概述18-19
• 2.2 吊鉤參考坐標系及坐標變換19-21
• 2.2.1 常用坐標系19-20
• 2.2.2 參考坐標系間變換20-21
• 2.3 捷聯(lián)慣性傳感姿態(tài)矩陣更新算法21-27
• 2.3.1 方向余弦微分方程22
• 2.3.2 歐拉角微分方程22
• 2.3.3 四元數(shù)微分方程22-24
• 2.3.4 歐拉角更新24-27
• 2.4 本章小結27-28
• 3 吊鉤運動姿態(tài)分析28-36
• 3.1 吊鉤姿態(tài)估計系統(tǒng)28-29
• 3.2 吊鉤運動分析29-31
• 3.3 吊鉤姿態(tài)估計31-35
• 3.3.1 吊鉤歐拉角分析31-32
• 3.3.2 吊鉤運動擺角分析32-34
• 3.3.3 吊鉤運動投影偏向角分析34-35
• 3.4 本章小結35-36
• 4 吊鉤姿態(tài)的多傳感器融合算法36-50
• 4.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合36-38
• 4.2 互補濾波器38-45
• 4.2.1 野值濾除與補償38-41
• 4.2.2 傳統(tǒng)互補濾波器41-43
• 4.2.3 自適應互補濾波器43-45
• 4.3 擴展卡爾曼濾波器45-49
• 4.3.1 卡爾曼濾波器概述45-47
• 4.3.2 擴展卡爾曼濾波算法47-49
• 4.4 本章小結49-50
• 5 吊鉤姿態(tài)估計系統(tǒng)實物實驗50-66
• 5.1 吊鉤姿態(tài)估計硬件系統(tǒng)設計50-55
• 5.1.1 捷聯(lián)慣性傳感平臺51-53
• 5.1.2 無線傳輸單元53-54
• 5.1.3 視覺檢測參考平臺54-55
• 5.2 吊鉤姿態(tài)估計軟件系統(tǒng)設計55-57
• 5.2.1 姿態(tài)估計算法實現(xiàn)55-56
• 5.2.2 上位機界面56-57
• 5.3 實驗測試57-65
• 5.3.1 傳感器數(shù)據(jù)預處理實驗57-59
• 5.3.2 吊鉤歐拉角估計實驗59-62
• 5.3.3 吊鉤擺角與投影偏向角估計實驗62-65
• 5.4 本章小結65-66
• 結論66-67
• 參考文獻67-70
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況70-71
• 致謝71-72

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 高丙團;張羅馬;范怡然;朱振宇;周勰;;基于MEMS的吊車系統(tǒng)擺角無線測量[J];傳感器與微系統(tǒng);2014年09期

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本文編號：671554