1 系统用途 MIS-3DM-GD20惯性导航教学实验系统（惯导/航姿/运动传感），该系统标配双轴电动转台、转台控制器和一个MEMS器件的AHRS航姿参考系统，该传感器由九轴惯性测量组合，包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计传感器，能满足导航、制导与控制专业的学生了解惯性导航及飞行控制原理，有助于学生理解、熟悉、掌握惯性导航/航向姿态/运动状态采集的原理、技术及其应用，也可以满足其它专业如飞行技术、航海技术、无人机技术、测绘技术等不同专业的惯性导航技术的科研和教学的使用。还可设计开发各类飞行器、车辆、船舶、机器人、工程机械、穿戴式等各类运动载体测量及控制的创新实验。虽然我们完善了该系统的实验教学功能，同时，该系统也是一个二次开发平台，可以作为其他项目的数据采集验证平台。 2 功能特点 （1） 较低的价格，可以让众多学生同时动手实验，引领国内惯导/航姿/运动传感教学和实验进入普及化时代； （2） 国内首家配备低成本电动转台，可做定量实验，更好的掌握惯导/航姿/运动传感技术； （3） 提供全面的相关教学和实验配套服务，减轻教师的负担； （4） 集成度高，包含了各类运动相关传感器； （5） 实验覆盖全面，从单一运动传感器实验到所有运动传感器融合的综合实验； （6） 通过自身在国内惯导/航姿/运动传感领域的领先技术，实现惯导/航姿/运动传感实验室方案的不断升级，真正使高校教学/实验/科研水平跟上技术发展的潮流； （7） 可为学校量身定做相关实验系统； （8） 系统集成了多种模型，能够完成各个学科，包括航天，航空，航海，陆地等载体的惯性导航实验项目； 3 实验设备 图1-1 实验设备示意图 3.1 双轴电动转台（TT-3DM-2E-10）   机械台体采用UO形铝合金框架结构，由内环横滚轴框架和外环俯仰轴框架组成相互垂直的转动架构，采用直流电机驱动旋转，实现三维空间任意位置和角度的姿态测量。具有位置、速率和摇摆三种测试功能。技术指标如下：     负载尺寸重量 50mm×50mm×50mm / 0.5 kg 负载及夹具安装空间 120 mm×120mm×120mm 主轴与俯仰轴转角范围 连续无限 角位置综合测量精度 ±0.08º 控制到位分辨率 ±0.01º 速率范围 0.1º/s～300 º/s 速率精度与平稳度 1% 测角数据采集频率 20Hz 用户导电滑环 12 环/每环2A 台体重量 15Kg～20 Kg 台体尺寸 520mmL×400mmW×485mmH 串口波特率 115200 bps 工作电源 220VAC/200 3.2 双轴采集控制器(CC-3DM-2E-10) 采集控制器通过USB或串行接口连接计算机实现航姿模块信号的采集与电动转台的测量控制。     测角数据采集频率 20Hz 外形尺寸 300mmW×150mmW×170mmH 串口波特率 115200 bps 工作电源 220VAC/200W   3.3 惯导/航姿参考系统(3DM-E10A) 3DM-E10A是一款微型的全姿态测量传感装置，它由三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成。三轴陀螺用于测量载体三个方向的的绝对角速率，三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。可提供的输出数据有：原始数据、四元数、姿态数据等。技术指标如下：   尺寸：28mm×34mm×19mm； 重量：18g 内部更新率：80Hz； 启动时间：< 1 sec； 静态角度误差（俯仰、滚动）：± 0.1 degree 动态角度误差（俯仰、滚动）：± 1.0 degree； 静态角度误差（航向）： ± 0.5 degree； 动态角度误差（航向）： ± 2degree； 航向角分辨率： <0.1degree； 加速度计测量范围：±2g； 速率陀螺测量范围：±300°/sec；  

 本技术涉及一种惯性导航系统的运动对准方法，即如何在运动情况下借助GNSS信息提供惯性导航系统的初始姿态。在舰载机、制导弹药、水下无人潜航器和地面机动车辆等应用中，要求INS能够在运动过程中进行对准。目前运动对准的主流方法借鉴了静态或准静态情况下的实现思路，即通常包括粗对准和精对准两个阶段。粗对准用于得到粗略的初始姿态，为精对准提供初始值。精对准通常采用基于泰勒级数展开的非线性滤波方法，如一阶线性近似的扩展卡尔曼滤波EKF等。采用EKF等非线性滤波方法进行精对准，需要知道较准确的惯性器件，例如陀螺和加速度计，以及外部速度/位置信息的噪声特性，而且要求粗对准提供的初始姿态误差不能过大，否则滤波器将不能在规定的时间内收敛到理想的精对准结果，有时甚至发散。 在本技术考虑的应用场合中，INS安装在运动载体上，INS的速度和位置信息由GPS或其他外部信息源给出。 本技术的特色和优势:在没有任何姿态先验初值的情况下可实现惯性导航系统的快速姿态对准，无需知道惯性器件及外部速度/位置信息的噪声特性，无需任何姿态初值，具有绝对的计算稳定性，不存在发散的情况，只要速度/位置辅助信息有效，能够在任意运动情况下实现姿态对准，大幅缩短载体导航前的准备时间。 飞行试验测试典型结果:其中S1为上升段，S2为转弯段，S3为下降段。数据长度均为100s。下表分别给出了三个姿态误差角在5s，10s，20s和100s时情况：

以惯性导航挠性接头高质量加工为目标，开展磨削机理、工艺优化和加工过程监测方法研究，突破目前挠性接头微细特征磨削加工工序中对复杂微观结构认知的障碍，在磨削力、热载荷作用下充分认知磨削过程中影响表面完整性的重要因素。明确磨削表面完整性关键工艺优化目标，探究各个工艺参数间耦合关系，形成面向表面粗糙度、残余应力和磨削烧伤等表面完整性目标要求的工艺优化准则。研究面向惯性导航关键件磨削加工物理信号与表面完整性关联的磨削特征辨识方法，获取磨削加工质量监测和控制的深层知识，探索基于最优磨削特征融合的质量监测和多目标控制途径，实现惯性导航关键件磨削加工表面完整性的动态、准确和有效的监测。 相关技术指标： （1）加工后挠性接头表面粗糙度达到Ra 0.8 （2）加工后挠性接头近无表面残余应力 （3）挠性接头加工过程中实现砂轮磨损及表面完整性监控 技术创新点： （1）提出了基于磨削过程中物理信号与表面质量高关联度的磨削特征辨识方法 （2）揭示了挠性接头磨削加工工艺参数与力热载荷对于磨削表面质量的影响规律，并提出了高表面完整性加工的工艺准则 （3）提出了基于高关联度磨削特征融合的砂轮磨损及表面质量监控方法

一、项目简介 自动导航运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）是装有自动导航装置，能够沿规定的路径行驶，在车体上具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆。广泛应用于汽车制造、电子、纺织、食品、烟草、物流仓储等行业和领域。 2016年中国AGV市场销售量7350台，市场规模达12.08亿元，同比增长37.7%。2017年中国市场AGV销量有望突破10200台，同比增速超38%。特别是新一代完全柔性的AGV机器人将在各种场景下得到应用，新的AGV增量市场正在酝酿过程中。 当前AGV主要导航方式为有轨导航（固定路径）和无轨导航（柔性路径）。传统有轨导航AGV主要采用有轨导航方式，虽然简单易行、路径跟踪可靠性好，但灵活性和柔性差；新的激光导航方式，在应用时具有更高的柔性，但目前大多数是采用反射板和三角定位原理进行，其灵活性和柔性受到限制。 无轨导航AGV不需要任何场地施工、具备自由路径导航和智能避让能力的AGV，越来越受到行业的重视，是重要发展趋势和研究热点。这种无轨的自主导航系统（自由路径规划和决策）具有更高的引导柔性，能够更高效、灵活地完成物料的搬运任务。随着车间物流和生产流程日益复杂多变，对柔性供送、自主规划决策的新一代AGV需求迫切。 本项目致力于开发面向柔性物料搬运、内部物流的AGV机器人平台，具有效率高，易于操作、使用灵活且安全等特点。项目研究的这种AGV是第三代柔性移动机器人，综合了激光、视觉、惯性定位和自主规划决策技术，是未来的移动解决方案。(智能化工具化)，适应于巡检和商城、宾馆、医院等场所的内部配送。 项目研究全新一代AGV属于自主导航机器人，具备全柔性：无轨导航，不需要场地布设，全软件化，应用更广（内部物流、人机协作等）。具备自主性：自动路径规划、自动避障、自动跟踪、相互协作、自动充电等智能决策。项目研究具有重要的现实意义和市场前景。 二、前期研究基础 研究团队已经开工研究面向柔性物料搬运和物流配送的新一代AGV机器人，服务于需混合导航与自由路径功能的新兴AGV市场，目前研发的这种AGV是第三代高级移动机器人，综合了激光、视觉、惯性导航和自主规划决策与人机交互技术，是未来的移动解决方案(智能化工具化)。累计完成投资150万元，已和厦门万久公司开展省高校产学项合作目(基于视觉与惯性定位的AGV装置研发)，设计完成了AGV机器人样机，正进行驱动系统、导航系统、控制系统可靠性与性能指标的测试。 当前正在的研究工作和目标是，进一步完善AGV基本机型设计，实现激光SLAM、里程/IMU惯性定位、自主路径规划与跟踪；对AGV的RGB-D视觉系统进行开发设计，实现视觉引导与目标识别、跟踪、避让；进行终端控制软件开发，形成产品应用解决方案。 已发表的与项目相关的主要论文SCI论文5篇，EI论文20余篇。主要发明专利有：1. 仲训昱, 田军, 庞聪, 彭侠夫, 曾建平. 基于前倾 2D 激光雷达移动扫描的路面与障碍检测方法. 国家发明专利（受理中）2. 仲训昱. 基于虚拟扫描与测距匹配的 AGV 激光 SLAM 方法. 国家发明专利（申请号：201710504910.7, 受理中）. 3. 仲训昱, 李跃亮, 彭侠夫. 面向智能车自主充电的柔性对接装置. 国家发明专利（申请号： 201710389598.1, 受理中）4. 仲训昱, 王祥, 陈映冰, 彭侠夫. 基于 A*提取引导点的 AGV 路径跟踪与避障协调方法.国家发明专利（申请号： 201710043581.0, 受理中）5. 仲训昱, 李跃亮, 刘嘉伟, 彭侠夫. 一种面向智能车自主充电的柔性对接装 置. 国家实用新型专利, 专利号： 201720606992.1 三、应用技术成果 （一）导航控制系统设计 研究团队开发了一种全柔性自主式AGV机器人, 其导航控制系统如下图所示，特点有： 1）采用这种模块化的系统平台, 搭建激光导航AGV产品, 可实现降低制作成本30%-50%;  2）结合视觉/惯性定位和特殊运动机构, 支持各种场景下的使用、简易且节省人工成本。 （二）地图表示和基于A*提取关键路径点的全局路径规划方法 以AGV半径障碍进行膨胀，建立初始栅格地图；通过风险评估函数对障碍周围节点的风险等级进行评估，获得带有风险区域的安全栅格地图。在安全地图上通过A*算法规划全局路径，在得到的全局路径上提取关键路径点。 （三）基于位-姿交替控制的路径跟踪与避让/运动协调方法研究了局部环境建模与自适应窗口的实时避障方法，同时还研究了基于复合速度障碍法的分布式运动规划算法，在各种移动服务机器人与AGV搬运机器人 相互协调避让的运动规划中等具有很好的应用前景。 机器人以关键路径点为引导点并不断实时切换、更新引导点，进行路径跟踪与障碍避让的协调统一。 （四）基于地图匹配的AGV激光SLAM方法 虚拟扫描与测距匹配法：增量式创建栅格地图，采用虚拟激光雷达扫描与基于测距的快速轮廓匹配。 LATTICE SLAM方法：综合采用了高斯牛顿迭代法、地图匹配表、概率地图和高低两层地图等策略。 （五）AGV系统特色设计 1)双层控制器系统结构，提高可靠性、实时性和灵活性。 2)基于ROS的软件设计，采用NVIDIA 的TK1超级计算平台作为主控计算机。 3)下位机功能模块设计：处理实时性较高的任务，如里程计／IMU推算定位、安全速4)度控制、超声波／防撞条避碰处理等。 5)运动机构及外观设计：两轮差动驱动＋两轮随动”的四轮运动机构，比六轮机构具有更好的地面适应性；采用橡胶轮，减震和静音效果好。 6)自动充电对接装置设计：通过柔性连杆的弯曲形变来实现充电接口和充电接头的柔顺对接。 四、合作企业 厦门万久科技股份有限公司是一家集销售、软件研发、技术服务、加工技术整合为一体的高新技术企业。目前公司的经营范围涉及CNC软件开发及数控系统销售、CNC控制零件销售及专业维修；工艺优化、机台升级与技术改造、工程配电与软件优化、专用机控制系统开发、多轴机的设计与开发、机台精度检测与校正优化服务等。公司是国际知名生产制造企业——富士康的产品供应商和技术服务商。  

 本技术涉及一种轮式车辆惯导系统的自动标定、运动对准即自主定位方法，即如何在不借助参考路标点和其他外部传感器如GPS的条件下，实现实际路况下的惯导系统与车体间安装关系和里程计标度因数的自动标定，以及车辆行驶中的惯导系统运动对准与自主定位，抑制环境因素对里程计辅助效果的影响，提升陆用车辆导航系统的自主性、快速性、可维护性、环境适应性和精度指标。 惯性/里程计组合导航系统通常采用两种组合方式：航迹推算方式和反馈组合方式。航迹推算方式是一种简单的次优组合，它以惯性导航系统提供姿态基准，以里程计提供行程增量并在参考坐标系中投影累加得到当前位置；反馈组合方式则将里程计输出作为惯导系统的独立外部观测，反馈校正惯导系统的导航参数误差以及部分惯性器件误差，同时利用惯导系统的短期稳定性修正里程计标度因数误差。下表给出了两种组合方式的优缺点对比。反馈组合方式具有航迹推算方式所不具有的很多潜在优势，如在信息空间配准的前提下，反馈组合方式能够抑制环境因素对惯性器件精度和里程计精度的影响，如不依赖外部路标点实现惯性器件误差和里程计标度因数误差的自我修正，并缓解车轮的短时打滑问题等。

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速度）以及加速度的装置。IMU属于捷联式惯导，该系统由两个加速度传感器与三个速度传感器（陀螺）组成，加速度计测量物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。 技术指标 技术指标 单位 型号 UESTCME-1 UESTCME-2 UESTCME-3 轴数 个 3 3 3 加速度量程 ±10g ±35g ±35g 加速度精度 2.8 5.5 11 加速度灵敏度 mV/g 100±2 20±1 40±1 加速度零点稳定性 mg/hr 15 60 40 加速度温度漂移 % <2% <2% <2% 角速度量程 o/s ±150 ±300 ±300 角度精度 度 0.1 0.2 0.1 角度灵敏度 mV/o/s 6±1 6±1 25±1 角度零点漂移 o/hr 0.3 1.0 0.3 角度温度漂移 % <2% <5% <2%

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速度）以及加速度的装置。IMU属于捷联式惯导，该系统由两个加速度传感器与三个速度传感器（陀螺）组成，加速度计测量物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。

成果简介： 惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速度）以及加速度的装置。IMU属于捷联式惯导，该系统由两个加速度传感器与三个速度传感器（陀螺）组成，加速度计测量物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。 技术指标 技术指标 单位 型号 UESTCME-1 UESTCME-2 UESTCME-3 轴数 个 3 3 3 加速度量程 ±10g ±35g ±35g 加速度精度 2.8 5.5 11 加速度灵敏度 mV/g 100±2 20±1 40±1 加速度零点稳定性 mg/hr 15 60 40 加速度温度漂移 % <2% <2% <2% 角速度量程 o/s ±150 ±300 ±300 角度精度 度 0.1 0.2 0.1 角度灵敏度 mV/o/s 6±1 6±1 25±1 角度零点漂移 o/hr 0.3 1.0 0.3 角度温度漂移 % <2% <5% <2%