CN102636184B - 无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无角运动环境下的挠性陀螺比力敏感项标定方法，属于惯性技术领域。本发明将随动反转台安装在离心机的台面上，采集初始静态下和过载条件下挠性陀螺敏感轴的输出脉冲数据；依据事先选取的过载加速度，设定离心机转速，获得不同环境过载加速度下的挠性陀螺输出数据；计算过载项系数。本发明可以标定挠性陀螺静态漂移模型中包含的比力敏感误差项与环境过载加速度之间的关系，通过查表法精确补偿挠性陀螺的比力敏感漂移误差，从而减小挠性陀螺比力敏感误差对挠性捷联惯性系统导航精度的影响。

Description

无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法

技术领域

本发明属于惯性技术领域，涉及一种挠性陀螺比力敏感项的标定方法，具体地说，是指无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法。

背景技术

挠性陀螺是一种机械式双自由度陀螺仪，它的驱动电机的电机转轴通过挠性接头带动转子作高速转动，挠性接头包含2对相互正交的挠性连接轴和1个平衡环，如图1所示。自问世以来，挠性陀螺已广泛应用在各种导航、制导与控制系统中。

在实际应用中，挠性陀螺仪的角速度测量值中存在着由于各种内部及外部因素产生的漂移误差，一般由静态漂移误差、动态漂移误差和随机漂移误差等组成，其中由线运动引起的静态漂移误差是挠性陀螺漂移误差的主要部分，也是挠性捷联惯导系统误差的主要因素。挠性陀螺静态漂移误差数学模型中包含了对比力不敏感的漂移误差项和对比力敏感的漂移误差项。

在实际应用中，挠性陀螺仪的误差模型可表示为：

ω(X)_d＝K(X)_d

+K(X)_xa_x+K(X)_ya_y

ω(Y)_d＝K(Y)_d

+K(Y)_xa_x+K(Y)_ya_y

其中，ω(X)_d,ω(Y)_d——陀螺仪的漂移速率误差，单位：°/h；

K(X)_d,K(Y)_d——常值漂移系数，与比力无关，单位：°/h；

K(X)_x,，K(X)_y，K(Y)_x,，K(Y)_y——比力敏感项系数，单位：（°/h）/g；

a_x,a_y——沿陀螺仪相应轴的比力大小，单位：g；

现有的挠性陀螺或挠性惯组标定采用的是静态多位置标定方法，利用位置台使挠性陀螺朝向一定的方向，将地球转动角速度ω_e和当地的标准重力加速度g₀作为参考，通过多个方程联合求解的方法计算出挠性陀螺的误差项系数。静态多位置标定方法能够得到0～1g环境下挠性陀螺的常值漂移系数和比力敏感项系数，并认为在高过载环境下该系数仍保持线性不变。实际应用时，当挠性陀螺或挠性惯组应用于大过载环境时，使用地面多位置静态标定结果进行补偿，其实际使用精度常常与理论计算值差异甚远。这很可能是由于挠性陀螺比力敏感项系数在大过载环境下发生了变化所致。

如果能够通过地面的大过载测试准确得到挠性陀螺的比力敏感项系数与环境过载的关系，就能在实际使用时准确补偿挠性陀螺的比力敏感误差，从而提高挠性捷联惯导系统的实际导航性能，具有非常重要的实用价值。

申请号为200810101156.3的中国发明专利，公开了一种挠性陀螺仪最优八位置标定方法，是将挠性陀螺仪安装在二轴位置速率转台上，在特定的方位采集数据并计算得到挠性陀螺静态误差补偿模型。通过陀螺测量值剩余平方和的比较，利用挠性陀螺仪最优八位置试验设计方法求解的漂移系数进行补偿后的结果较传统八位置方法提高了4～8倍。缺点：实质上与传统静态多位置测试方法相同，只能利用重力场作为环境过载激励，得到的结果只能对应1g环境下的性能参数，得不到大过载环境下标定系数的准确值。

授权公告号CN101377422B的中国发明专利，公开了一种挠性陀螺仪静态漂移误差模型最优二十四位置标定方法，是将挠性陀螺仪安装在三轴位置速率转台上，采用离散D-最优设计构造方法进行设计，从整个试验空间中选取二十四个空间位置取向作为陀螺坐标系取向并进行试验。相对于最优八位置法，最优二十四位置试验测试除了能够标定加速度无关项、加速度一次方有关项外，还可以得到加速度二次有关项漂移系数。缺点：实质上与传统静态多位置测试方法相同，只能利用重力场作为环境过载激励，虽然效果好于八位置，但是得到的结果只能对应1g环境下的性能参数，得不到大过载环境下标定系数的准确值。不超过1g的环境下，加速度二次有关项为小量，与环境干扰难以有效区分，因而结果的可信度不高。

申请公布号CN101738203A中国发明专利，公开了一种挠性陀螺仪静态漂移零次和一次加速度相关项误差模型最优位置标定方法，是采用D-最优试验设计方法获得最优的测试位置。在最优空间正交十二位置下对获得的最优空间正交十二位置漂移系数与挠性陀螺静态误差补偿模型Go进行的测量值补偿有效地提高了挠性陀螺仪的输出。利用挠性陀螺仪最优空间正交十二位置试验设计方法求解的漂移系数进行补偿后的结果较传统八位置方法提高了4～5倍，较全空间正交二十四位置试验方法精度有所提高并且测试时间缩短了一半。缺点：虽然效果好于优化的八位置和优化的二十四位置，但实质上与传统静态多位置测试方法相同，只能利用重力场作为环境过载激励，得到的结果只能表示在1g环境下，得不到超过1g的大过载环境下标定系数的准确值。

发明内容

本发明的目的在于通过地面高过载环境下的标定测试，真实地获得挠性陀螺比力敏感误差项系数与环境过载加速度的关系，实现挠性陀螺比力敏感误差的精确补偿，减小挠性陀螺比力敏感误差对挠性捷联惯性系统精度的影响。

本发明提供的无角运动环境下挠性陀螺比力敏感项标定方法，具体包括如下步骤：

第一步：随动反转台（简称反转台）安装在离心机的台面上，在台面上还设有配重，所述的配重与反转台对称分布在离心机台面的同一直径上。反转台的台面上安装挠性陀螺，反转台的转动轴与离心机的转动轴平行，当离心机以一定的转速旋转时，反转台可相对离心机作相反方向旋转。挠性陀螺的供电及输出数据信号通过反转台和离心机的滑环连接到供电电源和数据采集计算机。

第二步：通过离心机的控制界面将离心机和反转台分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺敏感轴X指向当地的地理北向。然后，挠性陀螺加电，预热稳定10min。

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出，采集时间不小于3min，得到初始静态下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第四步：使离心机以角速度ω_t＝ω₀（单位：°/s）旋转，反转台以角速度-ω_t（单位：°/s）旋转，二者的角加速度均为ω_a，单位：°/s²。挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是反转台转动轴到离心机转动轴的距离，单位m；g₀是当地标准重力加速度，单位m/s²；

第五步：离心机和反转台转速稳定后，采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据15min，得到过载条件下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第六步：依据事先选取的过载加速度a_i，i=1,2,3,…n，设定离心机转速重复第四步和第五步，获得不同环境过载加速度下的挠性陀螺输出数据；

第七步：测试完成后，离心机与反转台关机，停止数据采集，挠性陀螺断电；

第八步：计算过载项系数：

本发明可以标定挠性陀螺静态漂移模型中包含的比力敏感误差项与环境过载加速度之间的关系，通过查表法精确补偿挠性陀螺的比力敏感漂移误差，从而减小挠性陀螺比力敏感误差对挠性捷联惯性系统导航精度的影响。

附图说明

图1为现有技术中的挠性陀螺机械转子与挠性接头结构示意图；

图2为本发明中采用的带随动反转台的离心机的结构示意图。

图中：

1.离心机；2.离心机台面；3.反转台；4.配重；5.反转台的台面；6.挠性陀螺。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法，利用带随动反转台的离心机为挠性陀螺提供高过载输入，高过载输入在被测试的挠性陀螺轴向上的投影呈现正弦或余弦变化；采用傅里叶级数分解的方法得到挠性陀螺的一次比力敏感误差系数。该标定方法的具体步骤如下：

第一步：本发明采用的主要设备是带随动反转台3（简称反转台）的离心机1，如图2所示，所述的反转台3安装在离心机1的台面2上，并且在离心机1的台面2上，还设置有配重4，所述的配重4与反转台3对称分布在离心机台面2上的同一直径上。反转台3的台面5上安装挠性陀螺6，反转台3的转动轴与离心机1的转动轴平行，当离心机1以一定的转速旋转时，反转台3可相对离心机1作相反方向旋转。测试试验前，采用水平校准仪器调整反转台3的台面5和离心机1的台面2与水平面平行，然后将挠性陀螺6通过工装安装在反转台3的台面5上，使挠性陀螺6的敏感轴X与敏感轴Y均与水平面平行，挠性陀螺6的自转轴与反转台3的转动轴重合。挠性陀螺6的供电及输出数据信号通过反转台3和离心机1的滑环连接到供电电源和数据采集计算机。

第二步：通过离心机1的控制界面将离心机1和反转台3分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺敏感轴X指向当地的地理北向。然后，挠性陀螺加电，预热稳定10min。

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出，采集时间不小于3min，得到初始静态下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第四步：使离心机1以角速度ω_t＝ω₀（单位：°/s）旋转，反转台3以角速度-ω_t（单位：°/s）旋转，二者的角加速度均为ω_a，单位：°/s²。挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是反转台转动轴到离心机转动轴的距离，单位m；g₀是当地标准重力加速度，单位m/s²；

第五步：离心机1和反转台3转速稳定后，采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据15min，得到过载条件下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第六步：依据事先选取的过载加速度a_i，设定离心机转速

重复第四步和第五步，获得不同过载加速度下的挠性陀螺输出脉冲数据。

第七步：测试完成后，离心机与反转台关机，停止数据采集，挠性陀螺断电。

第八步：计算过载项系数：

用事先标定得到的挠性陀螺标度因数将第三步至第六步采集到的挠性陀螺脉冲量输出数据转换成角速度数据；

对第三步初始静态下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴转换后的输出数据求取平均值。

对第五步、第六步过载环境下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴转换后的输出数据分别减去相对应的该轴初始静态转换后的输出数据平均值。

对减去初始静态平均值的不同过载加速度a_i的挠性陀螺X轴数据D_ij(X)和Y轴数据D_ij(Y)，分别截取整周期数据，周期

截取的数据个数N_i满足

其中t为采样周期，m为大于500的正整数，

为过载加速度a_i处的数据采集时间；ω_i为反转台的转速，即角速度值，i=1,2,3,…n；j=1,2,3,…N_i。

对截取的各过载加速度下的挠性陀螺X轴和Y轴数据进行傅里叶级数分解计算：

$A_{0\mathrm{xi}}=\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\right)/N_i,A_{0\mathrm{yi}}=\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\right)/N_i$

$A_{1\mathrm{xi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\cos (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,B_{1\mathrm{xi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\sin (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$ $A_{1\mathrm{yi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\cos (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,B_{1\mathrm{yi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\sin (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$

分别得到傅里叶级数零次项A_0xi和A_0yi、一次余弦谐波项系数A_1xi和A_1yi以及一次正弦谐波项系数B_1xi和B_1yi；其中，，i=1,2,3,…n；j=1,2,3,…N_i。

求取不同过载加速度a_i下挠性陀螺的常值漂移K(X)_di，K(Y)_di和比力敏感项K(X)_xi，K(X)_yi，K(Y)_yi，K(Y)_xi：

对于X轴： $\begin{array}{c}K{\left(X\right)}_{\mathrm{di}}=A_{0\mathrm{xi}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos \mathrm{\φ}\\ K{\left(X\right)}_{\mathrm{xi}}=A_{1\mathrm{xi}}/a_i\\ K{\left(X\right)}_{\mathrm{yi}}=-B_{1\mathrm{xi}}/a_i\end{array}$ 对于Y轴： $\begin{array}{c}K{\left(Y\right)}_{\mathrm{di}}=A_{0\mathrm{yi}}\\ K{\left(Y\right)}_{\mathrm{yi}}=A_{1\mathrm{yi}}/a_i\\ K{\left(Y\right)}_{\mathrm{xi}}=-B_{1\mathrm{yi}}/a_i\end{array}$

其中，ω_ie为地球转速，φ为当地的地理纬度，对K(X)_di,K(Y)_di,K(X)_xi,K(X)_yi,K(Y)_yi,K(Y)_xi与相应的过载加速度a_i进行列表，在应用时，通过查表即可得到挠性陀螺比力敏感系数在不同环境过载加速度下的补偿数值。

通过上述的方法可知，本发明提供的无角运动环境下的挠性陀螺比力敏感项标定方法，反转台相对于离心机同速反向旋转使挠性陀螺相对地球保持无角运动状态，通过离心机和反转台转速的改变，对挠性陀螺施加过载加速度，并对挠性陀螺的输出数据进行傅里叶级数分解计算和处理，最后得到不同过载下挠性陀螺的常值漂移系数和比力敏感项系数。本发明可以达到任意过载加速度下挠性陀螺的常值漂移系数和比力敏感项系数标定的目的，在实际应用时根据标定结果对挠性陀螺的输出进行补偿，提高挠性陀螺在高过载环境下的实际使用精度。

Claims (3)

1.无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法，其特征在于：

第一步：反转台安装在离心机的离心机台面上，反转台的台面上安装挠性陀螺，反转台的转动轴与离心机的转动轴平行，当离心机以一定的转速旋转时，反转台可相对离心机作相反方向旋转；挠性陀螺的供电及输出数据信号通过反转台和离心机的滑环连接到供电电源和数据采集计算机；

第二步：通过离心机的控制界面将离心机和反转台分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺敏感轴X指向当地的地理北向；然后，挠性陀螺加电，预热稳定10min；

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出，采集时间不小于3min，得到初始静态下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第四步：使离心机以角速度ω_t＝ω₀旋转，反转台以角速度-ω_t旋转，挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是反转台转动轴到离心机转动轴的距离，单位m；g₀是当地标准重力加速度，单位m/s²；

第五步：离心机和反转台转速稳定后，采集挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据15min，得到过载条件下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴的输出脉冲数据；

第六步：依据事先选取的过载加速度a_i，设定离心机转速

重复第四步和第五步，获得不同环境过载加速度下的挠性陀螺输出数据；

第七步：测试完成后，离心机与反转台关机，停止数据采集，挠性陀螺断电；

第八步：计算过载项系数。

2.如权利要求1所述的无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法，其特征在于：所述的离心机台面上还设置有配重，所述的配重与反转台对称分布在离心机台面上的同一个直径上。

3.如权利要求1所述的无角运动环境下基于离心机的挠性陀螺比力敏感项标定方法，其特征在于：所述的计算过载项系数，具体为：

用事先标定得到的挠性陀螺标度因数将第三步至第六步采集到的挠性陀螺脉冲量数据转换成角速度数据；

对第三步初始静态下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴转换后的输出数据求取平均值；

对第五步、第六步过载环境下挠性陀螺敏感轴X轴和敏感轴Y轴转换后的输出数据分别减去相对应的该轴初始静态转换后的输出数据平均值；

对减去初始静态平均值的不同过载加速度a_i的挠性陀螺X轴数据D_ij(X)和Y轴数据D_ij(Y)，分别截取整周期数据，周期

截取的数据个数N_i满足

其中t为采样周期，m为大于500的正整数，

为过载加速度a_i处的数据采集时间；ω_i为反转台的转速，即角速度值，i=1,2,3,…n；

对截取的各过载加速度下的挠性陀螺X轴和Y轴数据进行傅里叶级数分解计算：

$A_{0\mathrm{xi}}=\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\right)/N_i,A_{0\mathrm{yi}}=\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\right)/N_i$

$A_{1\mathrm{xi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\cos (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,B_{1\mathrm{xi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\sin (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$ $A_{1\mathrm{yi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\sin (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,B_{1\mathrm{yi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(Y\right)\cos (\mathrm{j\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$

分别得到傅里叶级数零次项A_0xi和A_0yi、一次余弦谐波项系数A_1xi和A_1yi以及一次正弦谐波项系数B_1xi和B_1yi；其中，i=1,2,3,…n；j=1,2,3,…N_i；

求取不同过载加速度下挠性陀螺的常值漂移和比力敏感项：

对于X轴： $\begin{array}{c}K{\left(X\right)}_{\mathrm{di}}=A_{0\mathrm{xi}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos \mathrm{\φ}\\ K{\left(X\right)}_{\mathrm{xi}}=A_{1\mathrm{xi}}/a_i\\ K{\left(X\right)}_{\mathrm{yi}}=-B_{1\mathrm{xi}}/a_i\end{array}$ 对于Y轴： $\begin{array}{c}K{\left(Y\right)}_{\mathrm{di}}=A_{0\mathrm{yi}}\\ K{\left(Y\right)}_{\mathrm{yi}}=A_{1\mathrm{yi}}/a_i\\ K{\left(Y\right)}_{\mathrm{xi}}=-B_{1\mathrm{yi}}/a_i\end{array}$

其中，ω_ie为地球转速，φ为当地的地理纬度。

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