DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 5. 结语 神经教育学仍是一个崭新而陌生的领域，它试图通过多层次和多途径来研究学习和教育的过程，建立心智、脑和教育的桥梁。神经教育学兴起的同时也导致了某些教育理念的改变。教育和学习虽离不开手和身体，但主要是在脖子之上——大脑中进行的。换言之，脑是教育和学习的器官，科学家和教育工作者需更多地了解脑的结构、理解脑的工作规律，才有可能制订合理的教育政策，营造合适的教育环境，实现“基于脑、适于脑、促进脑”之教育目标。 方兴未艾的神经教育学正在经历着日新月异的发展趋势，且逐步与人类的教育实践活动发生着深层的链接与互补互动。它为寻找一种适于脑的教育和学习提供理论基础和有益的启示：它深刻昭示包括教育政策制定、研究、决策和实施在内的各类教育工作者对脑(神经)科学甚至其他自然化的跨学科研究成果不可不知，对其理解和认识不宜简单化和庸俗化，更不可神话。就小学儿童教育而言，家长和教育工作者应当科学认识“关键期”与“潜能开发”的实在内涵，不为流传或鼓吹的“神经神话”所蒙蔽，对脑科学的最新研究成果尤其是所谓的具有时代变革性研究成果或者通俗世界奉之为圭臬的教育思想和原则应寻根溯源，并科学和敏锐地析辨它们“改头换面”后的变式，科学并人性化地促进儿童人格与素质健康地“成长”。正如朱小蔓(2005)教授所指出的，教育的实质就是培养脑。在某种意义上，教育的过程也就是培养脑和促进脑发展的过程。毫无疑问，各类教育工作者不应排斥或拒绝最新的脑(神经)科学或其他学科最新成果，应主动和积极地汲取其研究成果，科学和合理地引入和应用于儿童或小学生教育与培养实践之中，丰富和优化学生教育教学方式，促进和推动教学变革。就镜像神经元和观察学习关联性的研究成果而言，教育工作者可以在对此类研究寻根探源及其前因后果条分缕析的基础上，科学合理地将其引入到教育教学实践，倡导在教育教学实践中根据镜像神经规律采用不同的教学设计和媒介策略，适宜得当地使用观察学习来替代“做中学”或其他教学方式，促使教育教学过程更加互动、开放和融洽，教学方式更富情境性和趣味性，使得学生能在学习过程中更自由和自主地表达与交流观点和思想，以及充分展现他们的主体地位。 神经教育学对儿童教育实践甚至教育的启示不仅仅是某些来自实证研究的科学结论或干预规律，还涉及其学科中的思维方式、研究逻辑和研究方法等。例如，基于实证研究的理念正在影响各类教育理论及其教育实践(胡谊，桑标，2010)。德国马普研究所的重量级教授Stern就指出：“当前，教育政策制定者和实践者在制定决策时，尝试立足于实证证据，而不是观点、潮流或理念”(Stern， 2005)。这种循证(evidence-based)做法无不和神经教育学的理念完美契合。神经教育学所倡导的循证教育理念与文化不仅能够促进教育学理论研究与教育实践的深层互动以及教育学与其相关学科群的交流和互惠合作(沈汪兵，刘昌，袁媛，2013)，而且有助于缩短和消弭教育研究的理论与实践的距离，避免“思维在断裂处穿行”(叶澜，2001)，优化和推动教育学学科及其学科群的发展。最后，需要强调的是，神经教育学并不主张摒弃一切知识、情境和现象经验，“光秃秃”地从大脑层面来探讨教育和实施人类教化，它只是以一种开放和“超学科”方式为人们提供一种前所未有的新视角，引导并倡导人们从多学科和多层面秉承循证思路来探讨和解析基因、环境、经验和进化诸多动力在刻画人脑和布施教化过程中的效用与作用机理。
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user: 摘 要 欺诈婚姻为一方当事人采用故意编造事实或故意掩饰重大情况的方式，从而使对方陷入错误的认识并作出结婚的意思表示而缔结的婚姻。其与无效婚姻、受胁迫婚姻相区别。在欺诈婚姻中，由于欺诈的具体类型不明确，婚姻效力及人身、财产关系不明确，对于弱者的救济途径不明确等问题，法律有必要对其进行具体规制。应将其纳入可撤销婚姻，受欺诈一方自知道欺诈事由起一年内可行使撤销权，被撤销的婚姻自始无效。 关键词 :欺诈婚姻，法律效果，可撤销婚姻 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 欺诈婚姻在司法实践中屡见不鲜，但在我国现行的婚姻法当中，却没有详细规定。欺诈婚姻的定义、效力、法律责任的承担等问题在《婚姻法》中都无法找到具体规定，这在实践中造成很大的困扰，受害方的权益难以获得有效救济。本文在充分研究欺诈婚姻的含义、构成要件的基础上，结合实际案例，对欺诈婚姻作出分析，以明确其法律效果，完善婚姻法制。
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user: 2. 欺诈婚姻的界定 欺诈婚姻是一种婚姻瑕疵形态，其既不像无效婚姻因违背强制性规定而自始无效，也不像有效婚姻具有法律上的完全效力，同时也未纳入可撤销婚姻的范畴。婚姻法中欺诈婚姻的构成要件与民法中的欺诈法律行为相类似，为一方故意使对方陷入错误的认识从而作出意思表示。 (一) 欺诈婚姻的概念 欺诈婚姻由“欺诈”和“婚姻”两部分组成。民法中的欺诈意为：一方当事人故意编造虚假信息或掩饰重大真相，使对方陷入错误认识，作出非本意的意思表示。婚姻法中的欺诈应当与民法中的欺诈作相同解释，例如隐瞒真实年龄，隐瞒既有婚史等。婚姻是指符合法定条件的双方按照婚姻法规定的手续和程序，于婚姻登记机关依法确立夫妻关系，负有夫妻间权利义务的具有法律效力的行为 [ 1 ] 。因此，欺诈婚姻的概念为：一方当事人采用故意编造信息或掩饰重大真相的方法，使对方陷入错误的认识并作出违背本意的结婚的意思表示缔结而成的婚姻 [ 2 ] 。 (二) 欺诈婚姻的构成要件 欺诈婚姻的构成要件主要包括四部分。 第一，主观上，一方当事人存在欺诈的故意。当事人明知自己的表达或行为可能使对方陷入错误的认识，继而作出非真意的意思表示，却仍希望或放任该意思表示产生的心理。 第二，客观上，一方当事人施行了欺诈行为。首先，该行为必须已付诸行动，不仅限于内心的谋划。这包含两个方面的内容：一是积极的行为，即故意编纂和捏造虚假事实，主动欺骗对方；二是消极的行为，即故意隐瞒重要事实，原本应当告知的信息却予以隐瞒，如生育能力的缺陷、既有婚史等。其次，该欺诈行为必须发生在婚姻关系缔结前，若在婚姻存续期间一方当事人有所隐瞒，或在婚姻关系结束后存在欺诈行为，均不属于欺诈婚姻。 第三，受欺诈方作出缔结婚姻的意思表示与对方的欺诈行为具有因果联系。即一方当事人捏造虚假事实或隐瞒重大事实，继而导致受欺诈方作出缔结婚姻的意思表示。因此，欺诈婚姻中的欺诈对象仅限于合意缔结婚姻的双方当事人，不包括其他公民或者国家机关。 第四，当事人的欺诈行为具有重大性、本质性、关键性，足以影响对方是否缔结婚姻的意愿。必须是涉及到人身关系的重大事实，如有重大传染疾病、性能力缺失、有过婚史等。若是非本质的信息或仅涉及财产关系，如自称家缠万贯、谎称身居高位、虚构自身职业等则不符合该要件。因为婚姻关系的本质是两个公民人身关系的变动，而非财产关系的变动。 第四个构成要件使婚姻法中的欺诈婚姻与民法中的欺诈法律行为相区别。欺诈法律行为既包括人身关系，也包括财产关系，其对于欺诈行为的程度未作限制，因此该行为在民法领域较为普遍，且危害程度不深，民法授予受害方以撤销权。但是在欺诈婚姻中，欺诈行为需达到触及重大人身关系的程度，任意性较弱，危害性强，因此现行婚姻法并未赋予欺诈婚姻中受欺诈方以撤销权。 (三) 欺诈婚姻与其他类型婚姻的区别 1、欺诈婚姻与无效婚姻的区别 无效婚姻的概念为双方缔结的婚姻因与婚姻实质要件中的公益要件不符，因而不具备任何法律效力的婚姻 [ 3 ] 。《婚姻法》第10条明确规定了四种情形的婚姻无效。 欺诈婚姻和无效婚姻的区别主要有：1) 违法的要件不同。前者违背的是私益要件，即当事人因欺诈行为而受到影响的人身关系和财产关系；而后者违反的是公益要件，即损害了社会公共利益。因为公益要件重于私益要件，因此后者的违法程度更深。2) 法律效果不同。无效婚姻自始无效，即具备溯及既往的效力，当事人之间不享有夫妻之间的权利，也无需负担夫妻之间的义务。对于欺诈婚姻，婚姻法并未具体规定其效力。 2、欺诈婚姻与受胁迫婚姻的区别 受胁迫婚姻，即向一方当事人施以不合法的威胁，继而使其作出非本人本意的意思表示，即非自愿缔结而成的婚姻 [ 2 ] 。 欺诈婚姻和受胁迫婚姻的区别主要有：1) 内心意思表示是否真实。欺诈婚姻为受欺诈方由于对方的捏造或者隐瞒，不知悉真实情况，而在“假象”的基础上，内心作出的真实的意思表达，即内在表示为愿意缔结婚姻；受胁迫婚姻则是受到威胁的当事人对真实情况明了的基础上，违背内心真实意思表示作出的外在行为，即内在表示为不愿缔结婚姻。2) 在法律规制方面，受胁迫婚姻可由受胁迫方在婚姻登记之日起一年内行使撤销权，向人民法院或婚姻登记机关请求撤销婚姻，是可撤销婚姻；而欺诈婚姻既非可撤销婚姻，也非无效婚姻，只能通过离婚的途径解决，且受理单位只能是人民法院，而不能是婚姻登记机关。
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user: 3. 法律规范欺诈婚姻的必要性 现实生活中，婚姻欺诈的现象层出不穷，但是由于缺少必要的法律规制，法官对于婚姻效力的判定及之后人身、财产关系的处理也各不相同，缺乏统一标准。这不仅造成司法实务的混乱，而且严重影响当事人权益的保障。因此，法律规范欺诈婚姻迫在眉睫。 (一) 欺诈的具体类型不明确 《婚姻法》对于欺诈婚姻的具体情形没有像无效婚姻的判定一样一一列举，而是在具体案例中稍有体现。 案例一：2007年9月，被告隐瞒本人离异单身的情况，经人介绍与原告相识，并索要彩礼10，000元，双方领取结婚证后，被告即离家出走。原告请求法院判令双方离婚，被告返还10，000元彩礼，后撤回返还彩礼的诉讼请求。最终，法院判决双方离婚。 案例二：2014年，原告于丈夫家中受到刺激成为无民事行为能力人，要求被告给付抚养费并抚养婚生女儿至原告病愈。被告辩称，原告婚前患有某种疾病，却拒不告知，属于欺诈婚姻，拒不承担抚养费。法院认为，欺诈婚姻的抗辩意见属于离婚的审理范畴，与该案没有利害关系，认定原告与被告的夫妻关系，且判决被告支付抚养费。 结合具体案例可知，欺诈婚姻的情形多为隐瞒现有或者既有婚史；隐瞒重大疾病；隐瞒性行为能力不足的事实；隐瞒真实姓名；隐瞒真实年龄；隐瞒性取向等。由于法律未予明确规定，只得由法官在面对具体案例时，结合现有法律自行判断。这容易出现标准不统一，司法不公的情形，不仅对于双方当事人不公平，也不利于营造一个公平公正的法治社会。 (二) 婚姻效力及人身、财产关系不明确 我国现行法律对无效婚姻和因胁迫缔结的婚姻皆制定了特殊的解决办法，但并未涉及欺诈婚姻。由此，带来了难以处理的人身和财产关系。 首先，合法有效的婚姻是双方真实的意思表示。对于受欺诈方，他是在被欺骗的情况下作出的非本意意思表达。因此，若承认该婚姻合法有效，即受欺诈方曾经有过婚史，欺诈婚姻在法律上却与真实自愿缔结的婚姻具有相同的效果。若是欺诈方隐瞒了现有婚史，与受欺诈方结为夫妻，则既触犯了重婚罪，又满足了无效婚姻的构成要件，即双方当事人的婚姻无效，这对于受欺诈方也是不公平的。 其次，财产的处理也是一个棘手的问题。对于欺诈婚姻的财产处理，法律并未作出特殊规定，只能按照离婚案件的方式。婚后的收益为共同共有，婚后的债务也共同负担。 若是欺诈方隐瞒了现有婚史，与受欺诈方缔结为夫妻，则为无效婚姻。同居期间获得的财产，由当事人协商处理；协商无法达成一致时，由人民法院根据照顾无过错方的原则判决。对于欺诈婚姻，协议处理财产的可能性不大，因此大多为法院判决。但是法院在判决时，没有具体的法条指引，缺乏统一的标准，主观随意性较强。双方当事人间的财产关系本身也不甚明晰，既不是因为合法的夫妻关系而衍生出的财产关系，也不是由于单纯的债权债务牵连而产生的财产关系，因此需要具体的法律法规加以规范。 (三) 对于弱者的救济途径不明确 现今，欺诈婚姻为有效婚姻，受欺诈方无法请求法院否定婚姻效力。若想解除双方的婚姻关系，唯一手段就是诉请离婚。但离婚则表示双方的结合是正当的，是内心真实的意思表达。受害方如果想要借助离婚的手段来解除双方关系，得首先认可一个不公正的条件，即认同自己作出缔结婚姻的意思表示并无缺陷，是自己行使婚姻自由权的后果，这是对受欺诈方法定权利的侵害 [ 4 ] 。 法律是保护公民合法权利的有效手段，同时也是惩戒犯罪的必要措施。若当一位公民的正当权利受到侵犯时，法律不仅不能给予必要帮助，还认同这种侵犯是正当的，不仅当事人会感到寒心，法律在广大人民群众心中的公信力也会大打折扣。
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user: 4. 完善我国欺诈婚姻法律规制的建议 对于欺诈婚姻法律规制的建议，学术界众说纷纭，有欺诈婚姻有效说、欺诈婚姻无效说、欺诈婚姻成立与不成立说等。笔者认为，应将欺诈婚姻列入可撤销婚姻的行列，赋予被欺诈方撤销权。 (一) 规制路径：纳入可撤销婚姻 学者对于欺诈婚姻的法律效果，大致有三种学说：有效说、无效说和不成立说。 1、按照有效婚姻处理 有的学者赞成欺诈婚姻有效说 [ 5 ] 。该学说的支持者认为，在婚姻缔结时，受欺诈方是出于本人真实的意思表达，而非在人身、财产安全受到限制的情况下作出的虚假意思表示。是否愿意缔结婚姻属于一个人的主观心理，必须通过外在的行为表现出来，否则他人无法得知是否有结婚的意愿。双方一同去婚姻登记机关申请结婚注册即认为双方自愿缔结为夫妻。但是，这只是一种理想化的学说，在具体实践中会出现诸多问题。 第一，欺诈婚姻在婚姻缔结时所知悉的并非真实情况。因此，不能将其与正常婚姻一同对待。否则，受欺诈方不仅丧失了自由缔结婚姻的权利，反而还要对他人的欺诈行为负法律责任。 第二，因胁迫而缔结的婚姻也符合双方到婚姻登记机关进行注册登记的法律要件，但是婚姻法却另行规定了其可撤销，赋予受胁迫方撤销权。欺诈婚姻和受胁迫婚姻在本质上有相似之处，都非完全出于本人的真实想法。因此，把欺诈婚姻完全视为一种有效婚姻是不合理的。 2、按照无效婚姻处理 有的学者赞成欺诈婚姻无效说 [ 4 ] 。现实生活中也存在这样的处理方法，主要是欺诈婚姻涉及到无效婚姻的情形，比如重婚、隐瞒法律上规定不能缔结婚姻的疾病等。但此外，欺诈婚姻还存在例如隐瞒真实姓名、隐瞒其他疾病的情形，无法用无效婚姻解决。因为欺诈婚姻涉及的是私益要件，损害公民的权利，但是无效婚姻涉及到的却是公益要件，损害的是国家和社会的利益。公益要件比私益要件的法律保护强度更大，违背的法律后果也更严重，因此把欺诈婚姻完成纳入无效婚姻的范畴也是不妥的。 3、按照婚姻成立与不成立之诉处理 有的学者赞成按照婚姻成立与否的诉讼来处理欺诈婚姻的效力问题 [ 6 ] ，即当事人向法院提起诉讼，确定双方的婚姻是否成立。这并未真正解决欺诈婚姻的效力问题及人身和财产关系的处置。首先，即使是欺诈婚姻，但当事人进行结婚登记后，业已符合了婚姻法上有效婚姻的要件，婚姻关系已经成立。另外，对于瑕疵婚姻，法律已对无效婚姻和胁迫婚姻进行了规制，无需单列欺诈婚姻成立与不成立之诉来处理欺诈婚姻的效力问题，可以列入可撤销的范围。 综上，应将欺诈婚姻列入可撤销婚姻的范畴，理由如下： 第一，无效婚姻的违法性远胜于欺诈婚姻。因此，不宜将欺诈婚姻其纳入其中。 第二，婚姻类似于一种契约，它的本质是双方合意且意思表示真实。在欺诈婚姻中，一方当事人隐瞒重要事实，违背了意思自治原则，需要给予受欺诈方必要的救济以维护其合法权益，而将欺诈婚姻纳入可撤销婚姻当中，授予其撤销权就是一种良好的救济方式。 第三，《民法总则》第148条规定：一方以欺诈手段，使对方在违反真实意思的情形下施行的民事法律行为，受欺诈方有权请求人民法院或者仲裁机构予以撤销。《行政许可法》第69条规定：有以下情形之一的，……根据利害关系人的申请或者依据职权，可以撤销行政许可：……被许可人以欺诈、贿赂等非法方式获得行政许可的，应当予以撤销。可见，不论是在民法领域中，还是行政法领域中，涉及到欺诈的行为皆为可撤销。并且，婚姻法作为民法的分支，对于具体问题未有详细规定时，理应依照民法的相关规定。 (二) 撤销权的具体行使方式 1、撤销权人 欺诈婚姻中，撤销权应属于受欺诈者。首先，受欺诈者的意思表示出现了权利瑕疵，应赋予撤销权予以救济，确保意思自治的实现。其次，欺诈方为恶意，若赋予其撤销权，有违公平正义的原则。若是欺诈方在受欺诈者意愿维系该婚姻时，撤销了婚姻，不仅给受欺诈者造成了二次伤害，也不利于社会的稳定与和谐。 但是，在欺诈婚姻涉及国家、集体或第三人的合法权益时，撤销权人的范围应扩大至相关国家机关、集体组织或第三人。 2、行使方式 撤销权应既可以通过行政手段来行使，也可以通过民事诉讼手段来行使，即既能够向民政部门申请撤销婚姻，又能够向法院诉请撤销。因为欺诈婚姻的违法性并未达到无效婚姻的高度，无需将处理机关局限于法院，将其扩大到民政部门，可以提高工作效率，降低司法成本。 3、行使期限 《婚姻法》规定：受胁迫的一方撤销婚姻的申请，应当自结婚登记之日起一年内提出。该期间是除斥期间，在法定期限内若没有依法行使，即不再有效，欺诈婚姻的撤销权也应该适用该除斥期间。换言之，在婚姻登记之日起一年内，若受欺诈方没有行使撤销权，则婚姻关系处于效力待定的状态；若受欺诈方行使了撤销权，则自始无效。一年期满，受欺诈方未行使撤销权，则婚姻的效力就确定下来，为有效婚姻。 (三) 欺诈婚姻的溯及力 无效或被撤销的婚姻，自始无效。当事人不具有夫妻的权利和义务。同居期间获得的财产，由当事人协商处理；协议无法达成一致时，由人民法院根据照顾无过错方的原则判决。被撤销的婚姻有溯及既往的效力，既然将欺诈婚姻纳入了可撤销婚姻的行列，则欺诈婚姻也具有溯及力。 由于欺诈婚姻一旦撤销，自始无效，所以其财产关系不适用夫妻间财产处理方式，而应由当事人协议处理。若是无法达成共识，则由法院根据照顾无过错方的原则裁决。另外，婚姻被撤销后，当事人婚前收受的聘礼应全部归还。婚姻行为为主法律行为，给付聘礼的行为为从法律行为，若婚姻被撤销后自始无效，给付聘礼的行为也因此失去法律依据，聘礼即为不当得利，收受一方当事人无权继续占有，而应当全部归还 [ 7 ] 。
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user: 5. 结语 在欺诈婚姻层出不穷的今天，我国对于欺诈婚姻的法律规制还略有缺陷。把它纳入可撤销婚姻就是一个良好的规制方式，它既有利于保护弱势一方的权益，提供一个行之有效的救济手段，又能够完备我国的婚姻制度，有利于社会的稳定和和谐。同时，我们应该积极借鉴外国优秀的相关制度，在我国现行法律的基础上不断吸收、不断优化。
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user: 摘 要 基于光纤Bragg光栅设计力的检测系统，以实现机器人对外界力的感知。介绍光纤Bragg光栅的测力原理，利用ANSYS有限元分析法对传感器弹性结构体进行静态、模态和瞬态的分析，以获得弹性结构体在受到各方向的力/力矩时的应力应变情况，确定光纤Bragg光栅的粘贴位置。在模拟的基础上，进行压力实验，确定力传感器的灵敏度、线性度、重复性以及稳定性等指标。 关键词 :光纤Bragg光栅，力传感器，弹性结构体，有限元分析 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着机器人技术和智能技术的快速发展，智能机器人已逐步融入到各行各业，机器人在与外界的信息交互中对力的感知是十分重要的。其中，机器人力的控制系统中多维腕力传感器是最重要的传感器之一。多维腕力传感器可以感知来自三维空间中各个方向的力和力矩，这样便可以实现对机器人力的监控，这也有助于机器人对环境的认识以便及时作出相应的反应。 基于多维腕力传感器的重要性，它也成为了国内外研究的热点。早在1975年Wasto等人就设计出了首个三垂直筋结构的多维腕力传感器 [ 1 ] ；同年，Sclleinma设计出了水平十字梁结构的多维腕力传感器 [ 2 ] ；1983年，Stanford研究出了筒形多维力传感器 [ 3 ] ；同年，Reboulet等人设计出了首个基于Stewart平台的多维腕力传感器，这些早期研究对日后的研究都起到了至关重要的作用。随后，日本、德国、美国等也相继研究出了多种多维腕力传感器结构，直至上个世纪80年代后期，我国也研究出了第一台五维和六维的腕力传感器；山东大学的蒋奇讨论了一种多维力传感器结构 [ 4 ] ，其线性度和灵敏度等性能指标均良好。 上述多维腕力传感器主要是应变式的，并且是基于敏感元件的应变特性设计的。传统应变片式多维腕力传感器需要粘贴大量的应变片，在空间小且集中的情况下很难保证位置的准确、对称和可靠，并且也很难在恶劣的环境下正常工作。近年来，以光纤Bragg光栅为敏感元件的多维腕力传感器具有灵敏度高，电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，可在恶劣环境中工作，可复用，粘贴数量少，节省成本等优点。本文即采用光纤Bragg光栅做为敏感元件，对弓形梁结构的多维腕力传感器弹性体进行分析 [ 5 ] 。
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user: 2. 光纤Bragg光栅理论及传感原理 光纤光栅的结构以及原理如图1所示。由光源发出的光传输到光纤光栅上，其中与FBG相位匹配的光被反射，与其相位不匹配的光就会被透射。 图1. FBG的结构和原理图 若测量系统所处位置的温度、应变等被引起变化时，系统内部的FBG的折射率neff和周期Λ也会产生改变。光纤光栅中心波长满足以下条件 [ 6 ] ： λ B = 2 n e f f * Λ (1) 其中，λ B 为FBG的中心波长；n eff 为光栅区的有效折射率；Λ为光栅周期。 由式(1)可知，FBG的中心波长随纤芯的有效折射率n eff 或光纤周期Λ的变化而发生变化。因此，当外界应力或温度发生变化时，波长会发生相应的漂移。假设FBG受到外界的应力没有切向应力，且环境温度不变。FBG的应变计算公式为 Δ λ B / λ B = ( 1 − P ε ) ⋅ ε (2) 其中，λ B 为FBG的中心波长，Δλ B 为波长的变化量，P ε 为FBG的有效弹光系数，ε为应力的张量。此式反应了FBG的波长漂移变化与应变之间的关系。然而，光纤Bragg光栅的传感特性均是与材料相关的常数，所以波长的变化可以认为和应变的变化呈线性关系。
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user: 3. 弹性体结构的仿真分析 弹性体是力传感器中的核心部件，通过分析弹性体结构在受力时的应力应变情况，可以得到传感器的灵敏度以及线性度等性能，并且也可以此来监测传感器的健康状况，以便传感器可以很好的应用于实际场合中。 ANSYS大型通用有限元分析软件是由美国ANSYS公司研发的，它可以对结构力学、热学、电磁场和声场、流体力学和耦合场等问题进行分析。本课题使用经典ANSYS中自带的建模模块来构建弹性体的模型 [ 7 ] 。在建模中，传感器的弹性梁及传感器的整体将通过布尔代数运算成为一个整体。使用的单元类型为SLOID187，弹性体的材料为304不锈钢，弹性模量为206 Gpa，泊松比为0.269，密度为7800 Kg/m 3 。采用手动方式进行网格划分，划分后得到90，110个节点，45，979个单元。然后进行静力学分析、模态分析和瞬态分析 [ 8 ] 。 3.1. 静力学分析 用ANSYS对弹性体进行静力学分析，在其上圆环面施加不同方向的单维力/力矩，计算求解后在后处理模块中查看弹性体的应力应变情况，其云图如图2所示。由弹性梁的变形情况可知，在受到不同方向的单维力/力矩时，最明显的应变出现在弹性梁的外表面。因此，应在四条弹性梁的外表面的相应位置粘贴FBG，这样就可以使弹性体在具体的模拟实验中得到较好的实验结果。最后，可以根据弹性梁的形变来模拟粘贴在外表面上的FBG的形变，以此推断出FBG中心波长的偏移情况。 这里着重分析弹性体在Z方向上受单维力的情况，基于弹性体使用的实际背景是工业机器人手臂，查阅文献资料可知，其测力范围为[0， 800N]，这里以100N为步长，对其施加从100N到800N的Z方向的单维力。记录每次的位移偏移量，由此可以画出力与形变之间的拟合直线如图3所示。根据图可知，其在受到Z方向的单维力时，弹性体的灵敏度为0.4881 μm/N。 3.2. 模态分析 为了避免结构共振或以特定频率进行振动，需对弹性体进行模态分析以获得其固有频率以及振型。用ANSYS软件对弹性体进行模态分析，其模态云图如图4所示，并且其固有频率及特征振型分析如表1。由此可以看出，前6阶的固有振型可以反映出弹性体在受到单维力/力矩时的变形情况，各阶固有频率对应弹性体各方向的固有频率。由于结构与约束的对称性，第一阶和第二阶、第四阶和第五阶的固有频率基本相同，振型相似。腕力传感器是低通型的传感器，一般由第一阶的固有频率的2/3来确定工作带宽 [ 9 ] 。因此，估算出其工作带宽约为0 Hz～65.63 Hz。 图2. 应力云图 图3. 力–形变拟合直线图 图4. 模态云图 Table 1 Elastomer natural frequency and mode shap 阶数 频率(Hz) 振型 一阶 98.447 沿x方向平动 二阶 98.460 沿y方向平动 三阶 120.07 沿z方向转动 四阶 858.26 沿x方向转动 五阶 858.53 沿y方向转动 六阶 907.53 沿z方向平动 表1. 弹性体固有频率和振型 3.3. 瞬态分析 为了更好地对机器人多维腕力传感器的受力情况进行模拟，本文使用ANSYS对传感器弹性体结构进行瞬态动力学分析。当弹性体的上表面受到幅值为0.1 KPa的动态载荷（如正弦信号、阶跃信号、脉冲信号等）时，通过仿真分析观察每个弹性梁的变形情况，如图5所示。 根据模拟分析的结果可知，在弹性体的上表面施加Z方向的正弦、阶跃以及脉冲信号的激励时，弹性体在Z方向上的位移变化也呈现正弦、阶跃和脉冲的形式，只是相位差了180˚。由此可见，当弹性体受到外界瞬态动力荷载时，4条弹性梁的变形输出相同。根据阶跃信号的分析，得知其延迟时间为35 ms。 图5. 弹性梁变形情况
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user: 4. 测力系统设计 该测力系统由硬件与软件两大部分组成，主要包括电源、宽带光源、环形器、光纤Bragg传感器、FBGA解调模块以及基于Visual Studio 2015的上位机模块等。系统的测量原理：用宽带光源将激励光入射至FBG中，当有外界的力作用在弹性体上时，弹性梁上的敏感元件就会受到拉压作用，这就使得作为弹性敏感元件的FBG的中心波长发生变化。此时产生的光信号通过解调模块后变成数字信号传输给PC机，然后对信号进行采集、分析和记录。由于FBG波长的应变情况与其中心波长、弹性体材料和弹性体受到的外力的大小有关，当确定弹性体的结构时，就可以根据FBG中心波长的偏移量推算出弹性体的受到的力的大小。
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user: 5. 模拟实验 搭建实验系统，进行模拟实验，由于实验室条件有限，仅对弹性体上表面施加Z方向的单维力来进行灵敏度实验、重复性实验和稳定性实验，模拟实验实物图如图6所示。 图6. 模拟实验实物图 5.1. 弹性体结构 根据具体情况，弹性体选用的材料为304不锈钢，其基本几何参数如表2所示，且弹性体实物图如图7所示。 由弹性体的仿真分析可知，当受到各方向的单维力/力矩时，根据弹性梁的应力应变情况，可以推测出粘贴在弹性梁外表面上的FBG的中心波长偏移情况。将弹性梁上的FBG分别编号为FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，由于受到的力/力矩不同，FBG的中心波长的偏移量是不同的，因此，受力情况与FBG中心波长偏移量的关系可以表示为 [ F x F y F z M x M y M z ]   T = C [ Δ λ 1 Δ λ 2 Δ λ 3 Δ λ 4 ]   T 。 其中，C为6*4的系数耦合矩阵。 Table 2 Basic geometric parameters of the elastomer (mm 结构 长度(外半径) 宽度(内半径) 厚度(高度) 弓形梁 70 10 2 圆环 52 32 4 表2. 弹性体基本几何参数(mm) 图7. 弹性体实物图 5.2. 灵敏度实验 根据仿真已知，当弹性体上表面施加Z方向的单维力时，四个梁的受力情况是一致的，为简化实验，仅对其中一条梁进行分析。实验中，以10 N为步长，从10 N加至80 N，记录FBG中心波长的变化况，得出中心波长变化量与压力之间的关系，其拟合直线图如图8所示。根据拟合直线图可以看出其拟合关系式为： Δ λ = 0.0001617 ∗ F + 0.04609 R 2 = 0.9996 (3) 因此，灵敏度为0.1617 pm/N，拟合率为0.9996。由于实验时，是将光纤光栅粘贴在弹性梁上，利用FBG的中心波长变化量与力之间的关系进行测量的，而且实验室条件有限，不能对FBG进行严格的封装，环境温度以及焊接工艺等其他外界条件都对结果有影响，所以，光纤光栅的灵敏度比弹性体的灵敏度要小得多。 图8. 拟合直线图 5.3. 重复性实验 实验中，以10N为步长，从10N加至80N，这样往复加载卸载多次，得出加卸载的拟合直线图如图9所示。可以看出，其线性度很好，重复性稍有偏差，分析原因是FBG与弹性体贴合不紧密所致。 图9. 加卸载拟合直线图 5.4. 稳定性实验 实验中，在弹性体上表面施加力，且单独的多次的进行同一力的加载，观察压力输出情况如表3所示，可以看出其稳定性较好，并且由此也可以看出其最大的系统误差为0.89252N，最大的相对误差为4.4763%，证明了该测力系统的可行性。 Table 3 Measurements and errors of four times under different force 压力(N) 第一次(N) 第二次(N) 第三次(N) 第四次(N) 误差(N) 相对误差(%) 10 10.581 10.118 10.470 10.526 0.42375 4.2375 20 21.181 21.107 21.132 19.839 0.89525 4.4763 30 30.093 30.377 32.214 30.229 0.72825 2.4275 40 40.315 40.118 40.223 40.328 0.246 0.615 50 49.913 49.901 50.012 50.297 0.12375 0.2475 60 60.260 59.981 60.179 60.711 0.29225 0.48708 70 70.631 70.588 70.569 70.600 0.597 0.82857 80 79.858 79.957 79.994 79.926 0.06625 0.082813 表3. 不同力下四次的测量值及误差
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user: 6. 结论 为了实现机器人对外界力的感知，本文分析了以FBG为传感元件的腕力传感器的弹性体，并设计了基于光纤Bragg光栅的测力系统。其中，采用ANSYS软件对弓形梁弹性体进行静力学、模态和瞬态的仿真分析；搭建了模拟实验系统，完成了模拟实验。实验表明，弓形梁弹性体可以测量各方向的力/力矩，并且其灵敏度高，重复性、稳定性以及线性度均较好。
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user: 摘 要 电缆卷绕是电缆生产的最终步骤，但实际中却缺少安全高效兼顾的检测方案，因而在卷绕时若电缆出现排列不整齐的情况，系统不能及时反馈。针对此问题，提出了一种基于半径约束的最小二乘圆拟合方法，用以实现电缆卷绕情况的测量。同时详细分析了各种因素对拟合精度的影响，并进行了仿真计算。 关键词 :电缆状态检测，最小二乘法，半径约束，误差分析 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在电缆的生产过程中，最后一道工序是将电缆紧密有序地卷绕在一定规格的卷筒上，电缆卷绕是否符合标准直接影响了电缆生产的合格率。若电缆间空隙较大，则电缆长度往往达不到相应卷筒的长度标准，在实际使用中，其长度不足也会对工程产生负面影响。 在电缆的卷绕过程中，电缆从卷筒一侧的内壁开始卷绕，随着卷筒的转动，电缆在水平方向上以一定的速度移动，到达卷筒另一侧的内壁时，确定返回点，随后电缆向相反方向移动，即在卷筒两侧的内壁间做水平往返运动，直至电缆全部盘卷完毕。理想情况如图1(a)所示，但在卷绕时，电缆往往存在排列不规整的情况。例如间隔过小，引起电缆相互挤压而凸起(图1(c)标号4)；间隔过大，致使电缆排列不紧密(图1(b)标号3)等诸多情况。判断返回点时，每层两端的电缆距离卷盘内壁可能大于一根电缆直径(图1(b)标号1)或小于一根电缆直径(图1(c)标号2)，返回点位置的确立也影响着电缆卷绕后两端的高度和层间落差，这些都会导致产品无法达到标准，影响产品的合格率。 图1. 电缆排列状态。(a) 排列整齐；(b) 排列不整齐1；(c) 排列不整齐2
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user: 2. 国内外研究现状 当前对于该问题的研究主要集中于电缆卷筒的控制方式上，而国内的电缆卷筒按照控制方式，已经发展到了第四代——变频式电缆卷筒，其可通过内部的计算机信息处理，使电缆在卷绕过程中其表面处于恒定的张力，有效避免了以往力矩恒定控制时，张力变化对电缆造成损伤。此外，它还可以提供“系统正常”、“系统运行”、“电缆满盘”三种反馈 [ 1 ] 。国外的研究人员研制了一种球形拖车式电缆卷筒机构，该机构由球形拖车和带振荡装置的电缆卷筒机构组成，可以使电缆均匀地缠绕在球形拖车上 [ 2 ] 。至于电缆卷绕监测方面，可见一种新型的移动卷缆检测系统，其可作为一种车载移动式检测设备。该设备组成有射线发射装置，用于向检测物品发射检测射线；探测器模块，与射线发射装置相对设置，用于接收来自射线装置发出的检测射线；图像处理装置，用于对探测器模块接收到的检测射线形成的检测图像进行处理 [ 3 ] 。但这套系统的成本较高，且该检测系统的安全系数还有待进一步提高。相比于射线对人体的伤害性和不稳定性，本文提出了一种以激光扫描为核心的更安全更高效的检测方案。 以激光传感器为切入点，也可以从当前的一些研究中获得启发。关于360˚激光测距的论文 [ 4 ] 中提到，采用移动平台搭载两路激光测距传感器，可以在水平和竖直方向同步进行距离和角度的数据采集，并将数据传输到上位机。上位机对所获得的距离数据进行融合，采用3D建模技术将离散的点拟合成移动平台周围环境的三维模型。在确定电缆排列状态的过程中，同样可以通过此种方法来判断电缆间距情况。 基于以上分析，使用两维激光扫描传感器，采集距离和角度数据，并设计数据分析算法，完成对电缆排列状态的监测。
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user: 3. 状态检测的算法设计 3.1. 基本原理 如图1(a)所示，传感器安装在电缆盘正上方。从正面看，由于卷绕中电缆形变较小，因而可将电缆的横截面视作圆形；由于电缆盘的形状为同轴圆柱体，因而可将电缆盘的侧边视作直线。所以，电缆的排列状态可做如下简化：① 电缆与电缆间的位置关系简化为圆与圆之间的位置关系；② 电缆与电缆盘侧边的位置关系简化为圆与直线之间的位置关系。 系统工作的基本原理为：激光传感器扫描电缆表面，并返回被测点的二维数据 ( ρ ， θ ) ，以传感器为原点，建立如图1中(a)的坐标系，并通过下式的坐标转换，将扫描点投影到直角坐标。然后对电缆盘边界与电缆圆心进行拟合，确定相互之间的位置关系，即可判断电缆的排列状态。 x = ρ ⋅ sin θ         y = ρ ⋅ cos θ (1) 3.2. 算法设计 3.2.1. 数据预处理 静止状态下经过多次扫描，可得电缆与电缆盘同一截面的多组测量数据，将多初始数据求和取均值，可得一组预处理数据，对其拟合即可确定边界与电缆位置。 3.2.2. 确定边界位置 基于边界横坐标基本不变，从预处理数据中选取左右各N个点的横坐标求取算数平均值，作为边界位置的估计值 x L 、 x R 。 x L = 1 N ∑ i = 1 N x i x R = 1 N ∑ j = 1 N x j (2) 其中N越大，边界位置的估计值误差越小。然后将剩余预处理数据中满足 x L < x < x R 的坐标筛选出来，作为电缆位置拟合的输入数据。 3.2.3. 确定电缆位置 目前检测圆的常用算法有Hough变换圆检测 [ 5 ] [ 6 ] 、最小二乘圆检测 [ 7 ] [ 8 ] 、几何特征圆检测 [ 9 ] 等。但Hough变换圆检测计算量大，拟合时间长；几何特征圆检测虽计算量少，但易受单个点影响，误差较大；所以针对本文的问题，考虑到传感器输出数据的顺序性和电缆规格的已知性，可采用半径约束的最小二乘法 [ 10 ] 来确定圆的位置，即将电缆的理论半径作为约束条件来进行最小二乘圆的拟合，其原理如下： 圆方程的一般形式可表示为： ( x − x 0 ) 2 + ( y − y 0 ) 2 = r 0 2 (3) 因而可以构造如下目标优化函数： ∑ i = 1 N δ i 2 = [ ( x i − x 0 ) 2 + ( y i − y 0 ) 2 − r 0 2 ] 2 (4) 式中： ( x i ， y i ) 为圆弧上的扫描点， ( x 0 ， y 0 ， r 0 ) 为使 ∑ i = 1 N δ i 2 最小时的最优解，也即拟合的圆心与半径，N为参与拟合的特征点个数。若拟合出的圆半径 r 0 小于误差允许范围，即可认定为目标圆之一。 其中，边界与电缆的拟合过程如图2。 图2. 拟合过程。(a) 直线拟合过程；(b) 圆拟合过程 在检测单个圆的基础上，可以设计出如图3的多圆检测算法。确定边界与电缆位置后，即可判断其相互间的位置关系。
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user: 4. 拟合精度影响因素及扫描次数确定 受传感器精度、电缆及电缆盘反光率、获取圆弧长度、室温等多种因素的制约，提取电缆及电缆盘边界上的特征点数据必然存在噪声，此外拟合算法对拟合精度也有影响，因而为达到检测的精度要求，需多次测量，利用扫描点的均值进行拟合。 基于本文采用的拟合算法，暂不考虑环境因素的制约，且扫描过程中每根电缆获取的圆弧长度基本不变，因而影响拟合精度的主要因素有数据量、数据精度、约束半径。其中数据量取决于参与拟合的特征点数目；数据精度取决于传感器的测量误差及其角分辨率；约束半径为先验知识，可以作为输入量。下面，用仿真的方法来逐一分析当数据量、数据精度、约束半径这三种因素变化，且满足边界的拟合误差小于1 mm，电缆圆心的拟合误差小于1%电缆直径时，所需要测量的平均次数。 4.1. 模型建立 取电缆盘宽度D = 1120 mm，电缆盘内外径差H = 800 mm，传感器安装在电缆盘正上方居中，且安装高度h = 2000 mm。又因电缆所处位置不影响数据量、数据精度、约束半径这三种因素，因而以单根电缆来分析圆拟合误差，并设电缆位置的圆方程为 x 2 + ( y − r ) 2 = r 2 ，其中r/mm为电缆半径。 另据表1的传感器参数，取传感器的角度误差的标准差 σ θ = 0.1 ∘ ，固定不变，长度误差的标准差 σ ρ = 3   mm ，随外界条件改变，以此作为一倍噪声；取传感器的角度分辨率 θ = 0.125 ∘ ，随设置改变，以此作为一倍角分辨率。 Table 1 Parameters of sensor LMS40 参数种类 角分辨率 角度误差 系统误差 随机误差 参数 0.1333˚ ±0.1˚ ±4 mm 3~10 mm 表1. LMS4000传感器相关参数 图3. 多圆圆心判断流程图 4.2. 边界拟合 影响边界拟合精度的因素有数据量和数据精度。 设特征点个数为2时为一倍特征点，边界拟合时所需平均扫描次数为T 1 。取一倍噪声，一倍角分辨率，改变特征点倍数，比较T 1 变化；取3倍特征点(特征点个数为6)，一倍角分辨率，改变噪声倍数，比较T 1 变化；结果如图4。 图4. 边界拟合误差 图4表明：平均扫描次数T 1 随特征点倍数增加而减小，随噪声倍数增加而增加，但平均扫描4次以内，即可使边界的拟合误差小于1 mm。 4.3. 电缆圆心拟合 考虑到充分利用电缆上的扫描点，即将电缆上的扫描点都作为特征点参与拟合，所以不考虑数据量对电缆圆心拟合精度的影响，即影响电缆圆心拟合精度的因素有数据精度和约束半径。 设电缆半径为10 mm时为一倍约束半径，电缆圆心拟合时所需平均扫描次数为T 2 ，以拟合圆心到实际圆心距离为拟合偏差。取一倍噪声，3倍约束半径(r = 30 mm)，改变角分辨率倍数，比较T 2 的变化；取一倍角分辨率，一倍约束半径，改变噪声倍数，比较T 2 的变化；取一倍噪声，一倍角分辨率，改变约束半径倍数，比较T 2 的变化。结果如图5。
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user: 5. 相关要求 基于上述算法，以及表1和图6中的传感器参数，需要对电缆规格、电缆盘规格、卷绕速度、安装位置提出一定的要求。 5.1. 电缆规格 基于本文采用的算法，对一个圆的拟合至少需要3个特征点。因而需确保在扫描过程中，每根电缆上至少有3个扫描点。电缆的极限扫描情况如图7，此时电缆上恰好有3个扫描点，且距离传感器最远。另取如表1所示的电缆盘规格，则当传感器的参数分别取 θ = 0.1333 ˚ ， σ θ = 0.1 ˚ ， σ ρ = 10   mm 时，电缆的半径r应满足： r ( D 2 − r ) 2 + ( h − r ) 2 = sin 1.5 θ (5) 求解得，电缆的半径r应大于7.3 mm。且结合4.3中仿真分析，此时平均需要140次扫描，可使电缆圆心的拟合误差小于1%电缆直径。也可在实际应用中，可根据检测精度要求，减少扫描次数，提高响应速度。 图5. 电缆圆心拟合误差 图6. 传感器检测范围示意图 5.2. 卷绕速度 在电缆卷绕过程中，其排列状态会随电缆盘的旋绕而改变，所以为保证电缆排列状态能及时反馈，电缆盘旋绕一圈的时间t应大于检测精度要求的扫描时间T。 图7. 电缆规格确定 设满足检测精度要求的平均扫描次数为T 2 ，传感器的扫描频率为f/Hz，则电缆盘选装一圈的时间t应满足： t > T 2 f (6) 5.3. 电缆盘规格 LMS400的检测范围如图6所示，考虑传感器的扫描范围充分覆盖电缆盘及电缆，所以适当缩小有效检测范围以确保检测的准确性。以角度范围60˚，长度范围0.8 m至2.9 m为例进行计算，实际应用中可对检测范围的取值做相应调整。 设电缆卷筒内宽为D(m)，电缆卷绕完成后高度为H(m)，则电缆盘的规格要求如下： 1 )     0   m < D ≤ 0.92   m 时       H ≤ 8.41 − D 2 / 4 − 0.8 (7) 2 )     0.92   m < D < 2.9   m 时     H ≤ 8.41 − D 2 / 4 − 3 D / 2 (8) 5.4. 安装要求 在实际的操作中，传感器很难恰好安装于电缆盘上方的中央位置，但只要电缆处于传感器的检测范围内便不影响监测，在不同的情况下传感器可以偏离电缆盘中央位置的程度也不同。 设电缆卷盘内宽为D，电缆卷绕完成后高度为H，传感器距离电缆卷盘所在水平线的垂直距离为h，在检测范围内对于不同的h，D可取的最大值为f(h)，传感器在检测范围内的最大偏移量为g(h) 1) 电缆卷盘内宽最大值 f ( h ) = { 2 3 3 h                               0.8   m < h ≤ 2.511   m 2 8.41 − h 2               2.511   m < h < 2.9   m (9) 2) 当 0.8   m < h < 2.511   m 时 f ( h − H ) = 2 3 ( h − H ) / 3 (10) g ( h ) = [ f ( h − H ) − D ] / 5 = 3 ( h − H ) / 3 − D / 2 (11) 3) 当 2.511   m ≤ h < 2.9   m ， 2.511   m < ( h − H ) < 2.9   m 时 f ( h ) = 2 8.41 − h 2 (12) g ( h ) = [ f ( h ) − D ] / 2 = 8.41 − h 2 − D / 2 (13) 4) 当 0.8   m < ( h − H ) < 2.511   m ， 2.511   m ≤ h < 2.9   m 时 f ( h − H ) = 2 3 ( h − H ) / 3 (14) f ( h ) = 2 8.41 − h 2 (15) g ( h ) = ( min { f ( h − H ) ， f ( h ) } − D ) / 2 (16) 影响传感器最大偏移量的参数为h，H，D，需要在检测范围内，结合具体参数以及实际的安装位置进行综合考量。
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user: 6. 总结 以上是电缆盘卷过程中对电缆排列情况的监测分析，在目前研究的基础上提出了采用两维激光扫描传感器检测的方式，能更快更准确地发现电缆卷绕时出现的问题，基于本算法，由公式(5)得出LMS400激光扫描传感器可监测直径大于等于14.6 mm的电缆卷绕情况。整套装置结构简单，安装方便，为电缆卷绕的状态测量提供了一种全新的选择。但该算法仍有需要改进之处，对于目前的仿真缺少实验验证；在应用于实际系统时，电缆表面由何种材料构成也是需要考虑的因素，不同的材料会影响传感器的测量精度，数据误差将会更加复杂。同时，传感器的数据测量传输和算法的计算分析是一个动态适配的过程，不同情况下的监测对应着不同的计算参数。后续还需要优化算法对误差的处理来提高实际情况下拟合的精确性，并提高算法的简洁度和通用性。
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user: 摘 要 利用惯性测量组件(IMU)的周期性旋转自动补偿光学陀螺的漂移是实现捷联惯导系统高精度、长航时的有效途径之一。本文阐述了影响单轴旋转式惯导系统的误差效应，分析了单轴旋转方案设计的关键因素，并针对传统四位置单轴转位方案在静态情况下水平方向上的常值漂移误差抵消不完全的问题，提出了一种改进的四位置单轴转位方案，通过计算机仿真比较了自补偿前后两种方案下惯导系统的导航误差(位置、姿态误差)，结果表明采用旋转自补偿技术可以克服惯性元件的静态误差，经改进的四位置转位方案更是大大提高了导航输出的位置和姿态精度。 关键词 :惯性测量组件，单轴旋转，常值漂移，自补偿 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 为满足运载体长时间航行的导航精度的需求，通常有两种途径，一种是提高惯性器件的性能，这需要更高精度的惯性传感器，由于受现代工艺水平的限制，这种方法不仅耗时长，难度大，而且成本高。第二种途径是误差补偿，一般情况下，惯性元件的误差补偿方法有两种：一种是利用外信息进行校正，如组合GPS信息、地磁传感器信息、CNS信息等 [ 1 ] ；另外一种方法是惯性器件误差的自补偿方法，旋转式捷联惯导系统通过对惯性测量组件(IMU)进行周期性的机械转动来实现对惯性器件的误差补偿，其实质是一种从系统角度消除误差的自补偿技术，从而有效提高惯导系统的导航精度。
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user: 2. 单轴旋转式捷联惯导系统的误差效应 由于光学陀螺(激光陀螺、光纤陀螺等)对重力g不敏感 [ 2 ] ，对这类陀螺进行翻转或旋转运动不会增加因重力引起的漂移，所以在现实惯性敏感元件精度受限的条件下，通过对系统中IMU的旋转来提高系统的精度。捷联惯导系统在导航过程中存在一系列影响导航精度的误差，其中IMU误差是主要误差源。 2.1. 常值误差效应 常值误差是指IMU中的陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位误差为常值时的情况。通常情况下，陀螺仪漂移误差是由两部分构成的，分别为常值漂移误差和随机漂移误差。虽然可以事先对常值漂移予以补偿，但实际应用中常值漂移会随着时间不断发生变化，在每一次或每日开启设备进行导航工作后，陀螺仪会随着工作时间的增长使得常值漂移不断发生缓慢的变化，这样的漂移误差分别为逐次启动漂移和逐日启动漂移，最终随着这些漂移误差随时间的不断积累会导致惯导系统的位置精度受到严重影响。 2.2. 标度因数误差效应 惯性传感器(陀螺仪和加速度计)的输出量与输入量的比值称为标度因数。由于种种原因，在进行标定实验时，不可能将惯性传感器的标度因数标定得绝对准确，标度因数很有可能随着环境的改变，时间的变化等因素而改变，因此而产生的误差为标度因数误差。标度因数误差包括对称性误差和非对称性误差 [ 3 ] 。 2.3. 随机误差效应 陀螺仪和加速度计的随机漂移误差简称随机误差，通常情况下随机误差用高斯白噪声来表示 [ 4 ] 。因为单轴旋转式捷联惯导系统的旋转频率远远小于高斯白噪声的频率，通过单轴旋转不能将变化很快的误差量在一个旋转周期内消除，即通过单轴旋转不能消除随机漂移误差。可以通过采用滤波估计的方法，对随机漂移误差进行估计，已达到减小随机误差对导航精度的影响。
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user: 3. 单轴旋转方案设计 3.1. 单轴旋转系统转轴的选取 对于舰船单轴旋转式捷联惯导系统，通常选择绕天向轴进行旋转。因为在航行中舰船水平方向的横摇角和纵摇角会发生变化，此时，IMU在旋转过程中旋转轴方向上的加速度计基本上都处在天向轴方向附近，虽然这个方向的加速度计的常值漂移误差并不能通过旋转得到调制，但同时该误差对惯性系统的导航精度的影响也很小，只有此误差在水平方向上的投影会对导航精度造成影响；在初始对准过程中，绕天向轴旋转可以便捷地控制惯性测量组件艏向角的变化，这样对于提高系统的可观测度非常有帮助，同时能够得到更好的初始对准与标定结果。因此，目前国际上舰船装备的单轴旋转式惯导系统均是将转轴选取在天向轴方向上的。 3.2. 旋转速度的选取 惯性测量组件(IMU)通过单轴旋转运动实现了对惯导系统的误差调制，需要根据IMU相对于运载体的方向余弦转换矩阵及惯性测量组件的姿态角求得运载体的姿态角。旋转速度是惯性测量坐标系到载体坐标系的转换矩阵中规律变化的唯一参数，故旋转速度的选取对惯导系统误差调制效果起着至关重要的作用。通常情况下，单轴旋转式捷联惯导系统的旋转运动角频率应取为舒拉周期频率的两倍到150 Hz之间，即大约为4 × 10 −4 Hz~150 Hz之间，旋转运动角频率正比于旋转速度 [ 5 ] 。虽然IMU的旋转运动角频率远大于舒拉周期的频率，但是不应将旋转运动角频率选得很大，若旋转运动角频率很大的话，不但造成转动机构负担增大，同时使得旋转轴上的陀螺仪和水平方位的加速度计始终敏感到较大的角速率与比力，这导致IMU对于运载体的小振幅运动的敏感精度降低，不利于长航时提高导航精度。综上，在实际使用中，常将惯性测量组件的旋转速率选取在1˚/s~50˚/s之间。 3.3. 旋转周期的确定 转动状态下捷联惯导“数学平台”的误差角度增长与一个转动周期内漂移的常值分量无关，与静止状态下相比，增长速度及大小都大为降低。并且漂移的变化速率越缓慢，转动周期越短，对非随机漂移引起误差的自动补偿效果越好。然而转动周期也不能特别的短，因为这将会增加机械结构和加速度计的负担。一般在采取了温控、磁屏蔽以后，都能够保证惯性元件的漂移变化很慢，此时系统误差主要以舒勒周期、地球自转周期和傅科周期三种震荡周期传播，其中频率最高的舒勒周期为84.4 min，如果系统没有特别的干扰和误差源，只需转动一周的时间小于舒勒周期数倍即可“平均掉”常值漂移。所以大多数旋转系统均采用转停结合的方式，转速虽快，但转动周期一般都为十几分钟以上。 3.4. 旋转运动方式的选择 旋转运动方案的选择和系统导航精度之间存在一定的平衡关系 [ 6 ] [ 7 ] ，旋转运动的方案设计必须要严格保证姿态角信息在通过方向余弦转换矩阵的转换过程中对系统实际的姿态输出的实时性和精度不产生影响。在设计旋转运动方案时，还要考虑惯性测量组件通过正反两个方向的旋转对误差的调制效果。因为在旋转系统的旋转轴方向上存在旋转角速率，适当使用正反两个方向旋转可以使一些误差量的符号先正后反或是先反后正，这样在一个旋转运动周期内可以将这个误差抵消。
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user: 4. 单轴正反旋转方案设计 目前国际上的机械抖动激光陀螺单轴旋转式惯导系统普遍采用了四位置转停的单轴转位方案，例如美国的MK39MOD3C和WSN-7B系统 [ 8 ] [ 9 ] 。在这种方案中系统不含有滑环，并且为了可靠性的考虑，IMU的最大转动角度被限制在小于360˚的范围内。但在转动的过程中发现，水平方向惯性元件发生的常值漂移误差无法得到自动抵消。基于此，本文提出了一种改进的四位置转位方案。 4.1. 传统的四位置单轴转位方案 在单轴旋转系统中，当IMU能够转动的最大角度小于360˚时，常采用IMU在(−135˚，+45˚，+135˚，−45˚)的四个位置间循环运动的转位方案来进行漂移误差的自动补偿 [ 10 ] 。设IMU在每个位置上停止相同的时间T s ，令每次转动的角速度均为 ω = π / T R ，如图1所示，其转动的过程描述如下： 次序1，IMU从A点出发正转180˚到达位置C，停止时间T s ；次序2，IMU从C点出发正转90˚到达位置D，停止时间T s ；次序3，IMU从D点出发反转180˚到达位置B，停止时间T s ；次序4，IMU从B点出发反转90˚到达位置A，停止时间T s ；然后IMU按照次序1~4的顺序循环运动。在这种转位方案中，IMU是每次转动180˚或者90˚间隔进行，而非通常认为的每次转动90˚。 图1. 转动角度小于360度时的四位置IMU转动次序 从图1的对称性可以发现，在IMU从B位置转动到C位置或者从C位置转动到B位置转动的过程中，水平方向惯性元件发生的常值漂移误差在一个完整周期内并不能得到完全抵消。适当的增加在每个位置的停止时间，或者缩短转动的时间可以有效的减小没有抵消的漂移误差所占比例的大小。 4.2. 改进的四位置单轴转位方案分析 即使在载体静止的条件下，传统的四位置单轴转位方案也无法把水平方向上惯性元件的常值漂移误差全部抵消。经理论分析将IMU停止在A、D两个位置停留的时间由T s 增加为 T ′ s 就有可能解决这个问题。 设IMU停止在A、D两个位置停留的时间均为 T ′ s ，其它条件和转动次序不变，一个完整转动周期内数学平台的累积的东向、北向误差角度为： ∫ ε E n ⋅ d t = 2 ε 1 ( 2 / ω + T s − T ′ s ) (3-1) ∫ ε N n ⋅ d t = 2 ε 2 ( 2 / ω + T s − T ′ s ) (3-2) ε 1 、 ε 2 ——水平方向陀螺的常值漂移。 可见，只要在A、D两个位置停留的时间 T ′ s 满足下列条件： T ′ s = T s + 2 / ω ，则式(3-1)和(3-2)均为零，即一个转动周期内水平方向上惯性元件的常值漂移所引起的数学平台累积误差角度为零。 因此，采用新改进的四位置单轴转位方案，只需将IMU在A、D两位置的停止时间增加 2 / ω ，在载体静止的状况下即可以实现把水平方向上惯性元件的常值漂移误差全部抵消，实现起来非常简单，可应用于实际的单轴系统中。
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user: 5. 仿真分析 为了验证该方法对惯导系统性能的影响，本文对惯导系统静态条件下、IMU按两种方案绕方位轴旋转进行了仿真，仿真条件如下： 1) 载体处于静止状态，三个陀螺的漂移均为0.02˚/h，加速度计零偏选为0.0001 g，忽略其他误差因素的影响。 2) 采用的调制方式是单轴持续正反转调制方式，调制角速度选为6˚/s。 3) 仿真时间均为72小时。 由图2~4中的姿态误差曲线可见，静态条件下，三个姿态误差均存在直流分量，且其幅值较大；单轴旋转调制后，由于水平陀螺常值漂移得到调制，水平姿态具有很大的改善，方位误差幅值比静态时减小一半；改进的单轴旋转调制结果中，水平陀螺常值漂移得到调制外，由于方位轴惯性器件误差也得到了补偿，姿态误差较补偿前有更加明显的改善。 静态时，经度误差表现出明显的发散特性，纬度误差虽未发散，但存在较大幅值的舒勒周期振荡和更大幅值的地球周期振荡；单轴旋转调制后，由于水平惯性器件误差得到了调制，经度误差发散程度明显减小，纬度误差剩余较小幅值的地球周期振荡，舒勒周期振荡幅值有了较大程度的减小；改进的单轴旋转式惯导系统，由于方位惯性器件误差得到完全补偿，随时间发散的位置误差彻底消除，剩余的位置误差周期振荡幅度最大仅约为(5 × 10 −5 )˚。 图2. 静止条件下单轴旋转系统导航误差 图3. 传统四位置单轴旋转系统导航误差 图4. 改进四位置单轴旋转导航误差