互补滤波

摘要： 两轮平衡机器人的工作原理类似于倒立摆,控制器在自平衡和稳定中起着至关重要的作用。文章介绍了一种两轮平衡机器人的设计。文章的重点是使用线性二次调节器(LQR)控制器来控制两轮平衡机器人。通过6轴传感器来进行互补滤波得到姿态信息,通过编码器得到机器人的速度信息。两轮平衡机器人的控制采用LQR控制器,其中包含调节电机速度和旋转方向。LQR控制建模基于线性运动方程,其中的运动学和电气参数通过实验确定。实验结果表明,LQR控制器能够很好地将两轮机器人保持在平衡状态。

摘要： 为解决动态环境下无人机导航系统姿态估计易受传感器噪声和运动加速度干扰的难题,提出一种考虑运动加速度干扰的无人机姿态估计算法。首先,建立运动加速度估计模型,根据基于卡尔曼滤波的加速度误差模型和由外部传感器提供的速度信息实现对运动加速度的精确估计,利用运动加速度估计模型获得的运动加速度对加速度计的原始值进行修正,降低动态环境下运动加速度对姿态估计的干扰。随后,搭建基于互补滤波的姿态估计模型,利用磁力计信息和修正后加速度信息构建陀螺仪修正量,对陀螺仪原始值进行修正,设计互补滤波器滤除来自加速度计和磁力计的高频噪声和来自陀螺仪的低频噪声,避免传感器噪声信号对姿态估计的干扰。最后,利用无人机试飞过程中采集的传感器信息对该算法进行实验验证。实验结果表明,该算法可以精确估计无人机机动过程中所产生的运动加速度,有效减弱传感器噪声和运动加速度对姿态估计的干扰,该算法显著提高了无人机导航系统在动态环境下姿态估计的精度和抗干扰能力。

摘要： 针对电力线路杆塔倾斜角实时测量的需要,设计了一种基于惯性传感器的倾斜角度实时监测装置;装置硬件上由惯性传感器、单片机、通信电路和电源变换控制电路组成;软件上采用中断模式和尽量减少工作模块和通信次数相结合的工作策略以降低系统功耗,将6轴惯性传感器的加速度和角速度原始数据进行去极值平均滤波预处理,再经由互补滤波算法进行倾斜角度的综合计算,经实测倾斜角测量相对精度能达到1.30%;该装置在测量精度、功耗、成本和易用性上均能较好地满足电力线路杆塔倾斜在线监测的需求,具有一定的推广应用价值。

摘要： 针对农田监测无人机对大范围观测视野、便利操控和高质量拍摄图像的需求问题,设计跟随人体头部姿态的监测云台。首先,根据云台对小体积、轻量化和易集成的设计要求,设计云台结构,并利用ANSYS有限元分析软件进行静力学载荷校核和动力学模态分析;其次,采用四元数方法进行头部姿态解算,利用互补滤波算法进行加速度计和陀螺仪的数据融合,利用嵌入式平台设计并制作云台控制系统;最后,对云台系统的姿态解算准确度进行动态测试和静态测试,对云台的减振性能进行对比测试。结果表明:云台在结构强度和减震性能上满足需求;控制算法和系统能够稳定可靠的解算姿态,并控制云台实时跟随,动态姿态角度误差不超过2°,600 s的静态角度漂移不超过5.5°;云台具有较好的减振和抗振性能,平飞测试中振动加速度均方根值比航拍云台的小41.8%,机动测试中振动加速度最大幅值比航拍云台小21%。该装置可以为无人机的农田监测任务提供更好的便利性。

摘要： 为降低老人跌倒的伤残率和死亡率,通过可穿戴式装置采集运动数据,结合阈值法与模式识别算法的优点提出一种基于姿态融合的联立判别跌倒检测算法,并引入云技术与微信小程序设计一种便捷可行的跌倒检测系统。该系统首先通过互补滤波对原始数据进行预处理,解决因陀螺仪低频特性差和加速度计高频特性差导致解算姿态不准确的问题,然后通过阈值法对可疑跌倒行为进行判断,过滤掉大部分日常活动,当检测到可疑行为时,再启动SVM算法进行跌倒识别。实验结果表明,采用该系统进行跌倒检测识别的正确率达到90.1%,灵敏度达到91.2%,特异度达到89.4%,且漏报率与误报率较低,分别只有8.8%和10.6%。

摘要： 顺煤层瓦斯抽采钻孔是目前最直接最有效的瓦斯治理方法,自然伽马作为含煤地层识别常用的判识依据,可以根据地层放射性判断钻孔轨迹是否在目标层中。但现有的矿用伽马测井仪器只能进行滑动钻进测量,不适用于复合钻进及旋转导向钻进,无法满足伽马动态连续测量的工况。针对以上问题,在分析了煤矿井下随钻测量工况特点和伽马测井原理的基础上,通过低压直流载波双向通信技术进行孔底多扇区方位伽马数据的实时传输;采用屏蔽开窗的结构设计,实现单伽马晶体的8扇区分区测量;基于三轴MEMS加速度传感器和三轴MEMS陀螺仪不同的频率特性,采用互补滤波的动态测量方法,克服了回转钻进过程中振动和旋转对工具面向角测量的影响。通过地面性能测试和井下的工业性试验,验证了仪器在不同放射性地层分界面能正确反映出地层放射性变化规律。试验结果表明,仪器可以满足复合回转定向钻进时的地质导向测量要求,为煤矿井下顺煤层定向钻进提供了技术保障。

摘要： 现有高速铁路轨道动态检测主要采用基于加速度计和测距传感器数据的惯性基准法,由于加速度计具有信噪比低、积分漂移大等特点,限制了其在轨道长波不平顺和低速下的测量精度,因此提出基于互补滤波的轨道不平顺动态测量方法。首先,优化系统硬件结构,在转向架前后安装测距传感器;其次,采用轨面上"两点弦"测量模型,推导基于光纤陀螺仪数据的角速度测量法;通过测量系统传递函数的幅频特性分析,发现角速度测量法在测量30 m以内的短波不平顺时存在衰减,为此提出互补滤波方法,即对加速度测量法与角速度测量法进行融合计算;最后,用轨道-车辆动力学仿真对3种方法的精度进行实例分析。结果表明:相较于角速度测量法,互补滤波测量法有效补偿了其在测量30 m以内的短波不平顺时存在的高频衰减的不足;相较于加速度测量法,互补滤波测量法将平均精度提高了24%~80%,因而它具有噪声敏感度低、受检测速度影响小等优点。

摘要： 针对随钻测斜仪安装在近钻头位置处受到的复杂冲击振动、钻柱旋转等干扰问题,提出一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)与互补滤波算法的随钻井斜动态测量方法。首先,利用限幅和低通滤波器滤除冲击噪声带来的加速度阶跃激励干扰信号和角速度高频干扰信号;然后,使用UKF滤除惯性测量单元(IMU)中加速度计和陀螺仪信号的大部分有色噪声;最后,建立加速度和角速度信息间的互补滤波器,滤除角速度信号的零偏噪声。仿真试验、复杂振动测试平台模拟实验及现场数据验证结果表明:钻具转速在0~300 r/min内时,井斜角整体测量精度在±0.2°以内;测量不受钻具转速与振动影响,实现了精准的随钻测斜。

摘要： 针对目前倾斜RTK(real time kinematic)由于姿态解算角度偏差大,导致测量精度较差的问题,提出了一种基于差分进化(differential evolution, DE)算法的向量外积补偿的互补滤波算法。所提算法对传感器中的高低频信号进行向量外积补偿,通过比例积分(proportion integration, PI)补偿器完成数据融合,利用DE算法寻求补偿器的最优参数,实现最佳姿态估计。通过惯性传感器搭载全站仪模拟倾斜RTK使用环境,进行动静态仿真实验。实验结果表明:所提算法可以有效地得到高精度姿态角,且姿态角精度高于传统的拓展卡尔曼滤波算法,满足倾斜RTK的使用环境。

摘要： 针对球形机器人在姿态解算的过程中,惯性测量元件精度不高、稳定性差和易受噪声干扰从而导致无法精确控制其运动姿态的问题,提出一种通过扩展卡尔曼滤波融合IMU(Inertial Measurement Unit)惯性测量元件数据来进行姿态解算的方法,利用多传感器测量数据进行融合,并使用扩展卡尔曼滤波得到精确的姿态信息。通过相关实验充分验证了基于扩展卡尔曼滤波的姿态解算方法的精度和鲁棒性明显提高,抗噪声干扰能力更强。实验表明,该姿态解算方法相比于互补滤波的姿态解算,全姿态角均方根误差和平均误差分别下降了0.0601和0.1984,可见其对于球形机器人的运动控制具有良好的适用性。

摘要： 与传统盲杖相比,电子盲杖虽然利用了测距设备延长了其距离感知范围,但是具有测距不稳定的严重缺陷.因此,利用MEMS加速度计和陀螺仪设计一种用于主动式测险盲杖的传感器稳定台,以获取稳定的距离信息.本文设计的稳定台系统主要由MEMS传感器、伺服舵机和超声测距模块组成,并利用本文提出的改进的互补滤波方法可准确的融合加速度计和陀螺仪的信息,得到盲杖的姿态角,以驱动电机进行反向补偿.对系统进行了精确度和稳定性功能测试,结果表明使用稳定台后,精确度、测距稳定性和方向稳定性均有所提高.

摘要： 针对某模态切换远程遥控水下机器人(Model-Converted Remotely Operated Vehicle,MC-ROV),基于微机电系统(Micro-ElectroMechanical Systems,MEMS)器件设计微惯性组合导航系统.该系统包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、深度传感器和微处理器等.采用互补滤波方法抑制陀螺漂移,基于四元数算法对陀螺仪积分,并以四元数为估计对象设计无损卡尔曼滤波算法,从而提高导航精度.分析梯度下降法原理,并研究其在四元数更新中的补偿作用.水池试验表明:互补滤波与无损卡尔曼滤波相结合的方法能够获得比较精确、稳定的MC-ROV导航信息.基于实测数据的算法仿真表明梯度下降法可以在一定程度上改善导航效果.

摘要： 在传统的单轴两轮车的基础上通过改进控制方式和改变车体设计方法，降低了车的重心高度，去除了车辆的辅助轮，提高了车的灵活性和工作稳定性。采用加速度传感器和角速度传感器数据融合获取倾角，减小了加速度传感器的噪声和角速度传感器的漂移，提高了控制精度。采用互补滤波降低运算量，减小对车体参数的敏感性。

摘要： 为了提高航姿参考系统跟踪人体行走位移的能力,抑制垂直方向位移的严重漂移,在系统中加入高度计芯片BMP180,并提出了基于互补滤波的信息融合算法,用于提高定位精度.分析发现,漂移是加速度二次积分过程中误差累计造成的,时间越长,精度越差.与之相对,高度计的测量结果几乎没有漂移,但短时精度很低.互补滤波融合了两者的优势,取长补短,提高垂直方向位移的估计精度.新增加的芯片BMP180价格低廉,互补滤波算法计算量小,实验结果表明垂直方向位移的漂移已经完全消除.

摘要： 垂直速度模态是自动飞行控制系统纵向的基本模态,垂直速度信号是自动飞行控制系统的重要信号,垂直速度信号的品质对垂直速度模态的性能乃至纵向自动飞行控制系统的性能有至关重要的影响.经大气数据计算机解算的垂直速度信号有高频噪声和较大信号跳变,如果直接用来控制垂直速度会导致飞机在目标垂直速度附近振荡,甚至引起垂直速度的突然增大和减小,自动飞行控制系统和飞行员均不能接受.针对该问题,本文提出了一种垂直速度信号滤波器并设计了滤波器参数,通过仿真和试验进一步对参数进行修正,使用滤波后的垂直速度信号重点针对垂直速度模态进行仿真和试验验证,满足自动飞行控制系统设计要求且驾驶员评分较高.此滤波器的设计满足使用要求,具有一定的工程应用价值.

摘要： 垂直速度模态是自动飞行控制系统纵向的基本模态,垂直速度信号是自动飞行控制系统的重要信号,垂直速度信号的品质对垂直速度模态的性能乃至纵向自动飞行控制系统的性能有至关重要的影响.经大气数据计算机解算的垂直速度信号有高频噪声和较大信号跳变,如果直接用来控制垂直速度会导致飞机在目标垂直速度附近振荡,甚至引起垂直速度的突然增大和减小,自动飞行控制系统和飞行员均不能接受.针对该问题,本文提出了一种垂直速度信号滤波器并设计了滤波器参数,通过仿真和试验进一步对参数进行修正,使用滤波后的垂直速度信号重点针对垂直速度模态进行仿真和试验验证,满足自动飞行控制系统设计要求且驾驶员评分较高.此滤波器的设计满足使用要求,具有一定的工程应用价值.

摘要： 垂直速度模态是自动飞行控制系统纵向的基本模态,垂直速度信号是自动飞行控制系统的重要信号,垂直速度信号的品质对垂直速度模态的性能乃至纵向自动飞行控制系统的性能有至关重要的影响.经大气数据计算机解算的垂直速度信号有高频噪声和较大信号跳变,如果直接用来控制垂直速度会导致飞机在目标垂直速度附近振荡,甚至引起垂直速度的突然增大和减小,自动飞行控制系统和飞行员均不能接受.针对该问题,本文提出了一种垂直速度信号滤波器并设计了滤波器参数,通过仿真和试验进一步对参数进行修正,使用滤波后的垂直速度信号重点针对垂直速度模态进行仿真和试验验证,满足自动飞行控制系统设计要求且驾驶员评分较高.此滤波器的设计满足使用要求,具有一定的工程应用价值.

摘要： 垂直速度模态是自动飞行控制系统纵向的基本模态,垂直速度信号是自动飞行控制系统的重要信号,垂直速度信号的品质对垂直速度模态的性能乃至纵向自动飞行控制系统的性能有至关重要的影响.经大气数据计算机解算的垂直速度信号有高频噪声和较大信号跳变,如果直接用来控制垂直速度会导致飞机在目标垂直速度附近振荡,甚至引起垂直速度的突然增大和减小,自动飞行控制系统和飞行员均不能接受.针对该问题,本文提出了一种垂直速度信号滤波器并设计了滤波器参数,通过仿真和试验进一步对参数进行修正,使用滤波后的垂直速度信号重点针对垂直速度模态进行仿真和试验验证,满足自动飞行控制系统设计要求且驾驶员评分较高.此滤波器的设计满足使用要求,具有一定的工程应用价值.

摘要： 本发明公开双模SIW矩形腔加载互补分裂环谐振器的双频带滤波器，包括SIW矩形腔、金属化通孔阵列微扰、输入耦合窗、输出耦合窗、输入转接器、输出转接器、输入端口、输出端口、两个互补分裂环谐振器CSRR；SIW矩形腔内在中心两侧各设置有一个互补分裂环谐振器CSRR；两个CSRR初始位置位于微扰后的TE101模和TE201模电场最强处。利用TE101模和TE201模构建低频通带，因此在双频带滤波器低频通带的下阻带中的不存在寄生通带；在两个通带间和高频通带的上阻带各有两个传输零点，且传输零点的位置可调，提高了双模SIW矩形腔双频带滤波器的频率选择性和阻带抑制度。

摘要： 本发明涉及滤波功分器设计技术领域，具体而言，加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器及设计方法，包括介质基板、上表面金属层、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化通孔阵列；介质基板上表面金属层设置有第一自谐振结构、一对对称设置的第二自谐振结构、输入输出微带线，第一自谐振结构及第二自谐振结构通过设置在二者之间的第一耦合槽线耦合，第一自谐振结构由一对交叉耦合的第一开口环构成，对称设置的第二自谐振结构均由一个第二开口环构成，且二者之间设置有隔离电阻。本发明提出的SIW滤波功分器，在保持选择性和隔离度的优势下，拥有低插损、宽通带且高集成度的特性，可同时兼顾小型化和带宽扩展。

摘要： 本发明属于微波传感器技术领域一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层以及用于向SIW馈电的50欧姆微带馈线，顶层金属层中心设置有两个方向相反且边靠边并列排列的CSRRs结构，底层金属层中心位置设置有两个并列排列的环形槽，每个环形槽上加载有一个变容二极管；介质层上下两边分别设置有多个金属化过孔，通过金属化过孔连接顶层金属层和底层金属层；本发明滤波器具有较小的体积和优良的性能，并且可以采用电路板印刷技术来进行制作，工艺成熟且价格低廉。

摘要： 本发明属于机器人数据处理技术领域，公开了一种基于互补滤波的两轮机器人运动控制系统及方法，利用一阶互补滤波的方法对姿态传感器MPU6050片内陀螺仪与加速度计进行数据融合，获取姿态倾角；通过增量式编码器获取机器人两轮速度，同时通过摄像头获取轨道路径信息；再采用PID闭环控制算法对电机PWM控制信号进行控制，实现动态平衡控制。采用多种控制理论方法的融合技术，实现机器人自适应平衡能力；自主巡航系统采用模糊+比例控制技术实现机器人快速、平滑过弯道；采用4G、Wi‑Fi等无线网络传输技术，快捷方便地增加机器人人工干预能力，能在复杂环境下运行。

摘要： 本发明提供了一种基于卡尔曼滤波与显式互补滤波的姿态融合算法，属于传感器数据采集与融合集成技术领域。包括如下步骤：步骤1，选用多轴姿态传感器，将多轴姿态传感器中的加速计的加速度及陀螺仪的角速度进行卡尔曼滤波，输出a、ω；步骤2，将a、ω通过四元数法转换成四元数向量；以及步骤3，将四元数向量进行显示互补滤波融合计算输出俯仰角θ、横滚角Φ以及偏航角ψ。因为在本发明中，姿态传感器实时采集加速度、角速度的六个参数，并通过卡尔曼滤波与显式互补滤波进行姿态融合，所以可以避免使用加速度计和陀螺仪时造成的误差，得到精确的俯仰角θ、横滚角Φ以及偏航角ψ，在多旋翼无人机的姿态估计中具有广泛的应用前景。

摘要： 本发明属于舰船导航制导与控制技术领域，具体涉及一种基于融合互补滤波和卡尔曼滤波的舰船水平姿态测量方法。本发明利用实时采集的微机电惯性测量单元陀螺仪输出信号和加速度计输出信号进行捷联惯性导航解算，综合利用各传感器的优点，实现了系统高精度的水平姿态测量。本发明通过卡尔曼滤波后的导航参数对机动状态下载体的线加速度和哥氏加速度进行补偿，并采用互补滤波补偿陀螺积分误差，使水平姿态保持较高精度输出，即使系统存在运动线加速度时，依然保证互补滤波的效果以及失准角的最优计算，有效的提高了系统姿态测量精度，具有一定的工程应用价值。

摘要： 本发明涉及一种基于自适应互补滤波的九轴磁罗盘数据融合处理方法，步骤如下：利用九轴磁罗盘中三轴磁传感器数据以及三轴加速度计数据计算系统状态初值；通过三轴磁场数据判断载体周围是否存在磁干扰，如果存在磁干扰，则根据三轴测得的三轴磁异常数据实时解算出磁干扰目标源的实时位置，实现磁干扰补偿；利用磁场和加速度构建误差向量；模糊控制求解互补滤波的PI参数；利用互补滤波实时解算得到的姿态四元数求解载体姿态角。本发明能够通过自适应互补滤波数据融合实现高精度姿态角输出，且在载体周围存在磁干扰时，可实时解算出磁干扰目标源的实时位置来进行磁干扰补偿，最终输出的姿态角不受运动加速度及外界磁干扰的影响，且误差不会随着时间的增长而累积。

摘要： 本发明公开了一种基于自适应互补滤波的九轴磁罗盘姿态获取方法，通过建立磁干扰物质的位置、磁干扰物质的磁偶极矩与磁干扰物质的磁场的线性函数实际解算出磁干扰目标的实时位置，并对磁干扰进行补偿。之后采用自适应粒子群优化算法，找到使得磁干扰物质与九轴磁罗盘运载体相对距离变化量取最小值的磁偶极矩，通过模糊控制求解互补滤波器的参数，充分考虑了三轴加速度计和三轴陀螺仪的频率特性，避免了计算结果发散的问题。然后，采用四元数方法求解姿态角，获得九轴磁罗盘的实时姿态。

摘要： 本发明提供一种基于互补滤波实现加速度校正的坡度估算方法，包括信号采集及预处理、初始坡度角计算、引入四元数、四元数初始值更新、加速度归一化、互补滤波加速度校正等步骤，最终计算获得汽车行驶的坡度，本发明提出了一种受环境因素影响较小的能够实现坡度自动调节的方法，借助纵向加速度的改变，通过一系列的算法缩小误差并估算坡度值，不需要给出经验值计算，提高精确度，使坡度估计结果相较传统坡度计得出结果更加可靠；适用于直线行驶过程中，平直道路上的坡度估计。

摘要： 本发明提供一种基于互补滤波的钻具重力加速度提取方法，首先通过余弦矩阵微分方程得到基于陀螺仪的重力加速度的递推方程，然后利用陀螺仪和加速度计在频率上互补的特性，在互补滤波框架下融合得到钻具重力加速度；同时，为了提高系统鲁棒性，利用非重力加速度和钻具旋转速度作为模糊算法输入，通过模糊算法动态调整互补滤波参数。该重力加速度提取方法，解决了旋转导向钻井过程中，由于钻具的高速旋转、剧烈振动和冲击给随钻姿态测量带来巨大干扰的问题。