CN101509785A - 一种光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法，光纤陀螺仪安装在速率转台上，首先将光纤陀螺仪的OZ轴与转台转动轴平行，给定输入角速率，依次测试并记录转台正转及反转时转台转过单圈时间内光纤陀螺仪输出的平均值；再分别将光纤陀螺仪的－OZ、±OX、±OY轴与转台转动轴平行，重复上述测试过程。对全部六组数据进行处理，精确计算出光纤陀螺仪输入轴失准角的数值。本发明操作简单，测试时间短，同时保证了测试值的正确性和精度。

Description

一种光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法

技术领域

本发明涉及导航、制导及控制领域，尤其涉及一种高效的光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法。

背景技术

光纤陀螺仪输入轴(IA)是指垂直于光纤环圈等效平面的轴。当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对惯性空间输入角速度的输出信号。光纤陀螺仪输入基准轴(IRA)是指与光纤陀螺仪安装面垂直的轴，名义上平行于输入轴。光纤陀螺仪输入轴失准角就是指输入轴与输入基准轴之间的夹角。通常的，定义光纤陀螺仪的OZ轴与IRA重合，OX轴与OY轴在光纤陀螺仪安装平面内相互垂直并且与OZ轴一起构成一个右手直角坐标系，如图1所示。

目前《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中规定的光纤陀螺仪输入轴失准角测试方法为：将光纤陀螺仪安装在速率台的固定装置上，使IRA垂直于速率台旋转轴线。使陀螺OX轴正向朝上且平行于速率转台轴，记为第一位置。由速率转台提供一个正速率，并记录若干圈的光纤陀螺仪输出。重复以上测试，输入为负速率。光纤陀螺仪连同夹具绕IRA旋转180°，记为第二位置，在转台正负速率下重复测试。建议输入速率为转台允许较大角速度。再使陀螺OY轴正向朝上且平行于速率转台轴，记为第三位置。在此基础上光纤陀螺仪连同夹具绕IRA旋转180°，记为第四位置。重复测试第一、第二位置时的测试。各位置下正、反转时采集的光纤陀螺仪输出分别记为F_i+、F_i-(i＝1，2，3，4)。按如下公式计算：

${\mathrm{\δ}}_i=\frac{F_{i+}-F_{i-}}{2\mathrm{\ΩK}}(i=\mathrm{1,2,3,4})---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}={\sin }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_4}{2}\right)}^2}\right)---\left(2\right)$

上述国军标中的测试方法需要事先获取光纤陀螺仪标度因数K的数值，而现有光纤陀螺仪标度因数测试中耦合了输入轴失准角的误差。具体分析如下：

光纤陀螺仪的输入输出公式为：

F＝K(F₀+Ω_OZ cosγ+Ω_OXcosα+Ω_OYcosβ)  (3)

参见图1，式中α、β、γ分别为输入轴IA与OX、OY、OZ轴的夹角，Ω_OX、Ω_OY、Ω_OZ分别为绕OX、OY、OZ轴输入的角速度，K为光纤陀螺仪标度因数，F₀为光纤陀螺仪零偏，F为光纤陀螺仪单位时间内输出值。输入轴失准角为γ。标度因数测试的基本原理是正反转消偏，即转台按给定的速度先正向旋转，再反向旋转，分别记录两种情况下陀螺仪输出均值，再按如下方法去偏：

F+＝K(F₀+Ω_OZcosγ+Ω_OXcosα+Ω_OYcosβ)  (4)

F_＝K(F₀-Ω_OZcosγ+Ω_OXcosα+Ω_OYcosβ)   (5)

$F_{+}^{\′}=F_{+}-\left(\frac{F_{+}+F_{-}}{2}\right)$

$F_{-}^{\′}=F_{-}-\left(\frac{F_{+}+F_{-}}{2}\right)---\left(6\right)$

很明显，这样最终求得的标度因数并非K，而是K·cosγ。而将这个预先测得的标度因数数值引入输入轴失准角的计算，就带来了小角度近似误差。此外，由于K和γ的测试分开进行，测试环境的差异也会带来一定的误差。

上述测试方法是传统陀螺仪测试标准的沿用，对于小型、低成本、低精度的光纤陀螺仪，所引入的误差较大，无法忽略。当前，光纤陀螺仪的技术正在飞速发展，在工程化过程中，光纤陀螺仪各项技术指标的评测技术尤为重要，其失准角的评测需要设计更准确、高效的方法。

中国专利CN200610011560.2提出了一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的精确解耦测试方法，但其测试方法、测试工装较为复杂，不能快速的评测光纤陀螺仪的失准角。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种高效的光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法，包括如下步骤：

(1)将光纤陀螺仪安装于转台上，使光纤陀螺仪OZ轴与转台转动轴平行；

(2)给定输入角速率，依次测试并记录转台正转及反转时转台转过单圈时间内光纤陀螺仪输出的平均值；

(3)依次改变光纤陀螺仪的安装状态，即分别将光纤陀螺仪的-OZ、±OX、±OY轴与转台转动轴平行，重复上述步骤(2)的测试；

(4)对上述测得的六组数据进行处理，计算出光纤陀螺仪输入轴失准角的数值。

进一步地，所述步骤(4)中的数据处理方法不含近似误差，保证了测试值的正确性；消除了夹具的安装误差，保证了测试值的精度。数据处理过程具体包括如下步骤：

(1)收集上述六个安装状态下，转台正转及反转时转台转过单圈时间内光纤陀螺仪输出的平均值数据，共计六组十二个数据。

(2)将每组数据中转台正转时的光纤陀螺仪数据减去转台反转时的光纤陀螺仪数据，作为应用数据处理方法计算时的陀螺仪输出值。

(3)联合±OZ轴与转台转动轴平行时的两组数据，消除夹具安装误差。并按相同方法分别联合±OX轴与转台转动轴平行时的两组数据以及±OY轴与转台转动轴平行时的两组数据。

(4)根据光纤陀螺仪输入输出模型，计算出输入轴失准角。

进一步地，使用单轴速率转台进行测试时，使用六面体工装，将光纤陀螺仪安装在转台上并可以分别使光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴与转台转动轴平行；使用三轴速率转台进行测试时，使用工装将光纤陀螺仪安装在转台内框上，调节转台内框、中框实现光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴分别与转台外框转动轴平行。

本发明的有益效果是：

1、操作简单，测试时间短，总测试时间不超过30分钟；

2、数据处理方法不含近似误差，保证了测试值的正确性，消除了夹具的安装误差，保证了测试值的精度。

附图说明

图1为光纤陀螺仪坐标系与输入轴失准角的示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本测试方法分为转台试验及数据处理两部分。本测试方法中，光纤陀螺仪的轴规定为：OZ轴与IRA重合，OX轴与OY轴在光纤陀螺仪安装平面内相互垂直并且与OZ轴一起构成一个右手直角坐标系，如图1所示。

本测试方法可以利用三轴转台，也可以利用单轴速率转台配合六面体工装进行。陀螺仪安装在测试转台上的工装中，定位精度由转台及工装的精度来保证。使用单轴速率转台进行测试时，使用六面体工装，将光纤陀螺仪安装在转台上并可以分别使光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴与转台转动轴平行；使用三轴速率转台进行测试时，使用工装将光纤陀螺仪安装在转台内框上，调节转台内框、中框实现光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴分别与转台外框转动轴平行。

转台试验的具体步骤如下：

(1)将光纤陀螺仪安装于转台上，使光纤陀螺仪OZ轴与转台转动轴平行；

(2)确定测试参数。首先给定输入角速率Ω，一般的，该角速率应为不大于陀螺仪最大测量范围的转台允许的较大角速率。其次确定每步骤转台旋转的圈数n。最后确定每步骤光纤陀螺仪输出的记录时间t，按如下公式计算：

$t=360\frac{n}{\mathrm{\Ω}};---\left(7\right)$

(3)将转台正向旋转n圈，记录t时间内光纤陀螺仪输出的秒平均值F₁₊；

(4)将转台负向旋转n圈，记录t时间内光纤陀螺仪输出的秒平均值F_1-；

(5)改变光纤陀螺仪的安装方式，将光纤陀螺仪的-OZ轴与转台转动轴平行，重复上述(3)-(4)的测试，记录光纤陀螺仪输出的秒平均值F₂₊及F_2-；

(6)改变光纤陀螺仪的安装方式，将光纤陀螺仪的OX轴与转台转动轴平行，重复上述(3)-(4)的测试，记录光纤陀螺仪输出的秒平均值F₃₊及F_3-；

(7)改变光纤陀螺仪的安装方式，将光纤陀螺仪的-OX轴与转台转动轴平行，重复上述(3)-(4)的测试，记录光纤陀螺仪输出的秒平均值F₄₊及F_4-；

(8)改变光纤陀螺仪的安装方式，将光纤陀螺仪的OY轴与转台转动轴平行，重复上述(3)-(4)的测试，记录光纤陀螺仪输出的秒平均值F₅₊及F_5-；

(9)改变光纤陀螺仪的安装方式，将光纤陀螺仪的-OX轴与转台转动轴平行，重复上述(3)-(4)的测试，记录光纤陀螺仪输出的秒平均值F₆₊及F_6-；

转台试验结束后，共采集到6组共12个数据进行数据处理，计算出光纤陀螺仪输入轴失准角的数值，具体步骤如下：

(1)根据公式(3)可以列出12组数据的表达式为：

F₁₊＝F_2-＝K[F₀+(Ω_OZ+Ω)cosγ+Ω_OXcosα+Ω_OY cosβ]

F_1-＝F₂₊＝K[F₀+(Ω_OZ-Ω)cosγ+Ω_OXcosα+Ω_OYcosβ]

F₃+＝F₄-＝K[F₀+Ω_OZcosγ+(Ω_OX+Ω)cosα+Ω_OYcosβ]    (8)

F_3-＝F₄₊＝K[F₀+Ω_OZcosγ+(Ω_OX-Ω)cosα+Ω_OYcosβ]

F₅₊＝F_6-＝K[F₀+Ω_OZcosγ+Ω_OXcosα+(Ω_OY+Ω)cosβ]

F_5-＝F₆₊＝K[F₀+Ω_OZcosγ+Ω_OXcosα+(Ω_OY-Ω)cosβ]

其中Ω为给定的转台转动角速率，F_i±为第i个安装状态下转台正(反)转时光纤陀螺仪输出的秒平均值数据。

(2)将每组数据中转台正转时的光纤陀螺仪数据减去转台反转时的光纤陀螺仪数据，作为应用数据处理方法计算时的陀螺仪输出值，即：

F₁＝(F₁₊-F_1-)/2＝KΩcosγ

F₂＝(F₂₊-F_2-)/2＝-KΩcosγ

F₃＝(F₃₊-F_3-)/2＝KΩcosα(9)

F₄＝(F₄₊-F_4-)/2＝-KΩcosα

F₅＝(F₅₊-F_5-)/2＝KΩcosβ

F₆＝(F₆₊-F_6-)/2＝-KΩcosβ

(3)联合±OZ轴与转台转动轴平行时的两组数据，消除夹具安装误差。并按相同方法分别联合±OX轴与转台转动轴平行时的两组数据以及±OY轴与转台转动轴平行时的两组数据。即：

F_OZ＝(F₁-F₂)/2＝KΩcosγ

F_OX＝(F₃-F₄)/2＝KΩcosα(10)

F_OY＝(F₅-F₆)/2＝KΩcosβ

(4)根据光纤陀螺仪输入输出模型，计算出输入轴失准角γ。由方向余弦关系可知：

cos²γ+cos²α+cos²β＝1    (11)

因此可得：

$\mathrm{\γ}={\cos }^{-1}\left(\frac{F_{\mathrm{OZ}}}{\sqrt{{F_{\mathrm{OZ}}}^2+{F_{\mathrm{OX}}}^2+{F_{\mathrm{OY}}}^2}}\right).---\left(12\right)$

本发明的方法操作简单，测试时间短，总测试时间不超过30分钟；且数据处理方法不含近似误差，保证了测试值的正确性，消除了夹具的安装误差，保证了测试值的精度。

Claims (3)

1、一种高效的光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将光纤陀螺仪安装于转台上，使光纤陀螺仪OZ轴与转台转动轴平行。

(2)给定输入角速率，依次测试并记录转台正转及反转时转台转过单圈时间内光纤陀螺仪输出的平均值。

(3)依次改变光纤陀螺仪的安装状态，即分别将光纤陀螺仪的-OZ、±OX、±OY轴与转台转动轴平行，重复上述步骤(2)的测试。

(4)对上述测得的六组数据进行处理，计算出光纤陀螺仪输入轴失准角的数值。

2、如权利要求1所述的高效的光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法，其特征在于，所述步骤(4)中的数据处理方法不含近似误差，保证了测试值的正确性；消除了夹具的安装误差，保证了测试值的精度。数据处理过程具体包括如下步骤：

(1)收集上述六个安装状态下，转台正转及反转时转台转过单圈时间内光纤陀螺仪输出的平均值数据，共计六组十二个数据。

(2)将每组数据中转台正转时的光纤陀螺仪数据减去转台反转时的光纤陀螺仪数据，作为应用数据处理方法计算时的陀螺仪输出值。

(3)联合±OZ轴与转台转动轴平行时的两组数据，消除夹具安装误差。并按相同方法分别联合±OX轴与转台转动轴平行时的两组数据以及±OY轴与转台转动轴平行时的两组数据。

(4)根据光纤陀螺仪输入输出模型，计算出输入轴失准角。

3.如权利要求1所述的高效的光纤陀螺仪输入轴失准角评测方法，其特征在于，使用单轴速率转台进行测试时，使用六面体工装，将光纤陀螺仪安装在转台上并可以分别使光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴与转台转动轴平行；使用三轴速率转台进行测试时，使用工装将光纤陀螺仪安装在转台内框上，调节转台内框、中框实现光纤陀螺仪的±OX、±OY、±OZ轴分别与转台外框转动轴平行。

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