一種基于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的陀螺與加速度相關(guān)漂移的標定與補償方法，是指將陀螺和加速度計按照一定的要求安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)得到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)角和陀螺儀的動態(tài)連續(xù)輸出，建立陀螺與加速度相關(guān)漂移的估計模型，并利用最小二乘法估計得到陀螺儀與加速度相關(guān)誤差的模型參數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)估計出陀螺與加速度相關(guān)漂移的誤差系數(shù)，具有準確、高效、易操作、高通用性等特點。通過本方法估計出誤差系數(shù)并進行相應(yīng)的誤差補償后，陀螺的輸出精度可大大提高。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種陀螺誤差標定與補償方法，可應(yīng)用于加速度計等其他慣性器件的誤差標定與補償，屬于慣性器件測試、慣性導航領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
慣性導航系統(tǒng)具有全自主、高隱蔽性、高帶寬、連續(xù)輸出等特點，在國防上具有戰(zhàn)略意義，是航空、航天、航海等領(lǐng)域中最重要的設(shè)備之一。慣性器件(陀螺和加速度計)的性能是影響慣導系統(tǒng)精度的最為主要的因素，慣導系統(tǒng)誤差的80%由器件誤差引起，因此，提高慣性器件的精度是慣性技術(shù)發(fā)展過程中最為主要的研究內(nèi)容。提高慣性器件的精度往往有兩條途徑(1)通過改變慣性器件的工作原理或改進器件的加工工藝來提高器件的性能；( 通過先進的測試手段對器件進行誤差建模與標定，通過誤差補償?shù)姆椒▉硖岣咂骷阅堋Ｒ话闱闆r下，途徑(1)所述的改進慣性器件的加工工藝往往需要付出較大的代價，器件的成本也將大大提高。途徑( 所述的先進的測試方法往往需要先進的測試設(shè)備為基礎(chǔ)，一般情況下，慣性器件的測試設(shè)備往往比較昂貴，而且測試過程繁瑣，需要投入大量的實驗時間。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于小型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的陀螺與加速度相關(guān)誤差標定與補償方法，該方法能快速、準確地標定出陀螺與加速度相關(guān)漂移的模型參數(shù)，具有準確、高效、易操作、高通用性等優(yōu)點。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是，其實現(xiàn)步驟如下第一步，制作旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由力矩電機(5)、光柵(3)、旋轉(zhuǎn)軸、陀螺信號采集系統(tǒng)(8)、光柵測角信號采樣系統(tǒng)(9)、陀螺儀安裝平臺(6)和電機控制系統(tǒng)(7) 組成；力矩電機(5)的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸(4)固連；光柵(3)安裝于旋轉(zhuǎn)軸G)，并隨旋轉(zhuǎn)軸(4) 的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；陀螺儀安裝于陀螺安裝平臺(6)上，陀螺安裝平臺(6)位于旋轉(zhuǎn)軸(4)頂部且與旋轉(zhuǎn)軸⑷固連，并隨旋轉(zhuǎn)軸⑷的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5) 旋轉(zhuǎn)，陀螺信號采集系統(tǒng)(8)用于實時采樣陀螺儀的輸出值，光柵轉(zhuǎn)角信號采樣系統(tǒng)(9)用于實時采集光柵(3)的轉(zhuǎn)角輸出信息；第二步，建立陀螺儀與加速度相關(guān)誤差的輸出模型；第三步，將兩個陀螺儀按照要求安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的陀螺安裝平臺(6)上，其安裝要求為兩陀螺敏感軸和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸兩兩互相垂直，且旋轉(zhuǎn)軸與水平面保持平行；第四步，將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安放于水平臺面上，根據(jù)第三步所述的陀螺儀的安裝方式，可以得到陀螺敏感軸坐標系上的輸入加速度計與旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系式，并將該關(guān)系式代入第二步所建立的陀螺儀的誤差模型，可得到陀螺與加速度相關(guān)誤差相對于旋轉(zhuǎn)角的輸出模型；第五步，電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5)旋轉(zhuǎn)，陀螺儀信號采集系統(tǒng)⑶實時采集兩個陀螺儀的輸出信息，光柵轉(zhuǎn)角信號采集系統(tǒng)⑶)實時采集光柵(3)的轉(zhuǎn)角輸出信息；第六步，根據(jù)第四步得到陀螺與加速度相關(guān)漂移相對于旋轉(zhuǎn)角的輸出模型，將第五步實時采樣得到的光柵(3)的轉(zhuǎn)角輸出信息作為參數(shù)估計模型的輸入，將扣除地球自轉(zhuǎn)加速度后的陀螺儀的輸出值作為參數(shù)估計模型的輸出，利用最小二乘法可估計得到陀螺與加速度相關(guān)漂移模型中的部分誤差項系數(shù)；第七步，將兩個陀螺儀繞各自的敏感軸在第三步所述的安裝平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，重復步驟第五步和第六步，即可得到陀螺與加速度相關(guān)漂移模型中剩余誤差項系數(shù)；第八步，根據(jù)第六步及第七步估計得到的陀螺與加速度相關(guān)漂移模型的參數(shù)，對陀螺儀進行誤差補償，并檢驗誤差的補償精度。上述第五步中旋轉(zhuǎn)機構(gòu)按以下的運動規(guī)律旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角速率為ω，并在0-360° 范圍內(nèi)正反整周旋轉(zhuǎn)，即以旋轉(zhuǎn)角速率ω從0°運動到360°，然后再以-ω的旋轉(zhuǎn)角速率從360°運動到0°，這樣既確保系統(tǒng)有完整的頻率分量輸入，使得誤差估計準確，同時也可以避免使用導電滑環(huán)，降低了成本低，提高了可靠性。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)傳統(tǒng)的陀螺與加速度相關(guān)漂移的標定往往采用靜態(tài)多位置測量方法，需要通過多組實驗，且標定精度較低，本專利技術(shù)所設(shè)計的陀螺與加速度相關(guān)漂移標定方法僅需要通過2組實驗便可標定出所有的誤差系數(shù)，大大簡化了誤差系數(shù)的標定過程，同時也提高了誤差系數(shù)的估計精度，且標定過程不需要借助其他昂貴的輔助設(shè)備。該標定方法同時還適用于加速度計刻度系數(shù)的標定，具有一定的通用性。(2)本專利技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)具有小型、低成本的優(yōu)點，本專利技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)使得陀螺儀敏感一個變化的重力加速度，從而激發(fā)陀螺儀的與加速度相關(guān)漂移，且只需進行2 組實驗并結(jié)合相應(yīng)的估計算法便可估計陀螺與加速度相關(guān)漂移模型的全部誤差系數(shù)，經(jīng)誤差補償后可大大提高器件的性能。本專利技術(shù)方法具準確、高效、易操作、設(shè)備簡單、低成本等特點ο(3)本專利技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)按照一定的旋轉(zhuǎn)規(guī)律，即旋轉(zhuǎn)角速率ω在0-360°范圍內(nèi)正反整周旋轉(zhuǎn)，這樣既確保系統(tǒng)有完整的頻率分量輸入，使得誤差估計準確，同時也可以避免使用導電滑環(huán)，進一步降低了成本低，提高了可靠性。附圖說明圖1為本專利技術(shù)方法的實現(xiàn)流程圖；圖2為本專利技術(shù)中的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)實施例中陀螺測量系與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)殼體系之間的坐標關(guān)系圖；圖4為本專利技術(shù)實施例中陀螺與加速度相關(guān)漂移誤差系數(shù)實時估計曲線；圖5為本專利技術(shù)實施例中未補償與加速度相關(guān)漂移時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)殼體系上的等效陀螺漂移曲線；圖6為本專利技術(shù)實施例中補償與加速度相關(guān)漂移后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)殼體系上的等效陀螺漂移曲線； 具體實施例方式下面以瑞士 Analog DeVice公司的ADIS16130型MEMS陀螺的標定過程為例來闡述本專利技術(shù)的具體實施過程。圖1為本專利技術(shù)所指的陀螺與加速度相關(guān)漂移標定方法流程圖，其具體實現(xiàn)過程如下1、制備旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。圖2為用于加速度計標定的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由力矩電機5、旋轉(zhuǎn)軸4、光柵3、陀螺儀安裝平臺6、電機控制系統(tǒng)7、加速度計信號采集系統(tǒng)8、光柵轉(zhuǎn)角信號采集系統(tǒng)9組成，陀螺1和陀螺2安裝于平臺6上， 陀螺安裝平臺6、光柵3與旋轉(zhuǎn)軸4固連并隨旋轉(zhuǎn)軸4的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸4與力矩電機 5的轉(zhuǎn)子固連，電機控制系統(tǒng)7可以控制力矩電機5按照一定的規(guī)律旋轉(zhuǎn)，陀螺信號采集系統(tǒng)8可以實時采樣陀螺的輸出值，光柵轉(zhuǎn)角信號采集系統(tǒng)9可以實時采樣光柵的轉(zhuǎn)角輸出 fn息ο旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的力矩電機采用PWM控制，電機控制系統(tǒng)由DSP和功放電路組成，DSP通過計算后輸出一定占空比的PWM波，功放電路對PWM波進行功率放大后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電機按照設(shè)計規(guī)律運動。光柵采用英國renishow公司的圓光柵，由光柵尺和讀數(shù)頭組成，當光柵尺隨電機軸旋轉(zhuǎn)時，讀數(shù)頭輸出正交脈沖，光柵轉(zhuǎn)角信號采集系統(tǒng)由DSP的QEP 模塊電路實現(xiàn)，該模塊電路對正交脈沖解碼，得到與轉(zhuǎn)角對應(yīng)的脈沖數(shù)。陀螺信號采集系統(tǒng)由ADS1258芯片實現(xiàn)，該AD轉(zhuǎn)換芯片能實現(xiàn)對陀螺儀輸出模擬信號的高速采樣并轉(zhuǎn)換輸出與模擬信號對應(yīng)的數(shù)字信號。2、坐標系定義如圖3所示，其中o-Xbyb、表示旋轉(zhuǎn)機構(gòu)殼體坐標系，o-xfflyfflzffl表示陀螺敏感軸坐標系，又稱陀螺測量坐標系，如圖3所示。3、陀螺與加速度相關(guān)漂移模型表示為Δ ω g = ζ xax+ ζ yay+ ζ zaz (1)上式(1)中，ax, ay, az分別代表陀螺敏感軸坐標系在x，y，z三個方向的輸入加速度，ζ x為與χ方向加速度輸入相關(guān)的誤差系數(shù)，ζ y為與y方向加速度輸入相關(guān)的誤差系數(shù)，、為與z方向加速度輸入相關(guān)的誤差系數(shù)。4、根據(jù)步驟2所示的坐標系，將兩個陀本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
１．一種基于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的陀螺儀與加速度相關(guān)誤差標定與補償方法，其特征在于步驟如下：第一步，制作旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由力矩電機（５）、光柵（３）、旋轉(zhuǎn)軸（４）、陀螺信號采集系統(tǒng)（８）、光柵測角信號采樣系統(tǒng)（９）、陀螺儀安裝平臺（６）和電機控制系統(tǒng)（７）組成；力矩電機（５）的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸（４）固連；光柵（３）安裝于旋轉(zhuǎn)軸（４），并隨旋轉(zhuǎn)軸（４）的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；陀螺儀安裝于陀螺安裝平臺（６）上，陀螺安裝平臺（６）位于旋轉(zhuǎn)軸（４）頂部且與旋轉(zhuǎn)軸（４）固連，并隨旋轉(zhuǎn)軸（４）的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；電機控制系統(tǒng)（７）控制力矩電機（５）旋轉(zhuǎn)，陀螺信號采集系統(tǒng)（８）用于實時采樣陀螺儀的輸出值，光柵轉(zhuǎn)角信號采樣系統(tǒng)（９）用于實時采集光柵（３）的轉(zhuǎn)角輸出信息；第二步，建立陀螺儀與加速度相關(guān)誤差的輸出模型；第三步，將兩個陀螺儀按照要求安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的陀螺安裝平臺（６）上，其安裝要求為：兩陀螺敏感軸和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸兩兩互相垂直，且旋轉(zhuǎn)軸與水平面保持平行；第四步，將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安放于水平臺面上，根據(jù)第三步所述的陀螺儀的安裝方式，可以得到陀螺敏感軸坐標系上的輸入加速度計與旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系式，并將該關(guān)系式代入第二步所建立的陀螺儀的誤差模型，可得到陀螺與加速度相關(guān)誤差相對于旋轉(zhuǎn)角的輸出模型；第五步，電機控制系統(tǒng)（７）控制力矩電機（５）旋轉(zhuǎn)，陀螺儀信號采集系統(tǒng)（８）實時采集兩個陀螺儀的輸出信息，光柵轉(zhuǎn)角信號采集系統(tǒng)（９）實時采集光柵（３）的轉(zhuǎn)角輸出信息；第六步，根據(jù)第四步得到陀螺與加速度相關(guān)漂移相對于旋轉(zhuǎn)角的輸出模型，將第五步實時采樣得到的光柵（３）的轉(zhuǎn)角輸出信息作為參數(shù)估計模型的輸入，將扣除地球自轉(zhuǎn)加速度后的陀螺儀的輸出值作為參數(shù)估計模型的輸出，利用最小二乘法可估計得到陀螺與加速度相關(guān)漂移模型中的部分誤差項系數(shù)；第七步，將兩個陀螺儀繞各自的敏感軸在第三步所述的安裝平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)９０°，重復步驟第五步和第六步，即可得到陀螺與加速度相關(guān)漂移模型中剩余誤差項系數(shù)；第八步，根據(jù)第六步及第七步估計得到的陀螺與加速度相關(guān)漂移模型的參數(shù)，對陀螺儀進行誤差補償，并檢驗誤差的補償精度。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：遲家升，薛宏斌，
申請(專利權(quán))人：北京星網(wǎng)宇達科技開發(fā)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：11
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