CN104457786B - 一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法，采集安装在旋转框架台面上的电子水泡输出的水平偏差量，将其与旋转框架位置控制量进行融合，控制转位机构重新转位，消除初始位置及框架转位过程中存在的SIMU水平误差输入，现场条件下利用1次通电实现SIMU标定工作，缩短了SIMU标定时间，降低了SIMU标定时对高精度转位机构的依赖，通过电子水泡融合技术降低了标定转位机构的设计成本，不需要二次拆装SIMU就可以完成标定工作，从整体上提高了系统灵活性，进一步促进了现场条件下IMU快速标定方法的研究及应用。

Description

一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法

技术领域

本发明涉及的是一种标定方法，具体地说是捷联惯性组件标定方法。

背景技术

对SIMU的标定，通常条件下都利用实验室高精度转位机构来完成。对已经标定的SIMU，随着系统搁置时间的增加，由于惯性器件材质或者环境因素，致使影响惯性组件输入输出的误差参数将会发生变化，也即原来实验室标定结果会影响实际现场SIMU的使用，所以需要在系统投入使用前对导航系统的核心部件SIMU作标定。

如果现场条件下将SIMU从载体上拆下来再标定，就需要在现场准备高精度转台，就现场标定设备来说，是不允许的。

如果现场将SIMU拆下再标定，标定结束再次装配时，由于人为因素或者现场条件限制，会再次引入SIMU安装误差，影响系统的测量精度，而且安装误差的消除也变得非常困难，进一步延长了整个系统的测试时间。

发明内容

本发明的目的在于提供在降低现场SIMU标定时对高精度转位机构依赖的同时，避免引入IUM拆装误差，减少了SIMU标定时间的一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法，其特征是：

采用如下装置：包括电子水泡、IMU、旋转框架载物台面、旋转框架内框架轴、旋转框架外框架轴、轴系驱动轴承及支撑机构、载体、旋转框架载物台面挡板；

(1)将旋转框架载物台面与地理水平面平行设置，把旋转框架载物台面挡板垂直安装于旋转框架载物台面上，旋转框架载物台面挡板一条边与旋转框架载物台面一条边重合；所述的电子水泡包括3个单轴的电子水泡，3个单轴的电子水泡满足右手坐标系，其中第一电子水泡和第二电子水泡的测量轴相互垂直，且位于旋转框架载物台面内，第三电子水泡贴在旋转框架载物台面挡板内侧，第三电子水泡的测量轴与旋转框架载物台面内的第一电子水泡和第二电子水泡的测量轴垂直；

(2)将第一电子水泡误差测量轴紧贴旋转框架载物台面的一条边，位于旋转框架载物台面内的第二电子水泡紧贴第一电子水泡安装，第二电子水泡测量轴与第一电子水泡误差测量轴垂直；

(3)把IMU安装在旋转框架载物台面上，轴系驱动轴承及支撑机构安装在载体上，依靠轴系驱动轴承及支撑机构把旋转框架载物台面安装在旋转框架内框架轴上，再将旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴安装在载体上；

(4)用陀螺经纬仪或者北向基准仪对IMU坐标系与当地地理的北向进行对准；

(5)采集旋转框架载物台面内2个单轴水泡的输出，把2个单轴水泡输出作为水平安装偏差融合量，利用该偏差量分别控制旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴转动，直到2个电子水泡输出为零，消除惯性组件安装时产生的安装水平误差；

(6)控制旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴至第一个位置，第一个位置时有2个相互垂直的电子水泡与当地地理水平面平行，采集这2个单轴水泡输出的偏差融合量，将该误差量分别与旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴的转位位置控制量进行叠加，分别驱动旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴转动，直到这2电子水泡输出均为零；

(7)在第一个位置，与当地地理水平面平行的2个电子水泡输出均为零时，采集并保存IMU各个轴输出数据。

(8)在第1位置IMU输出数据保存结束后，控制旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴转动至下一个位置，采用步骤(5)和步骤(6)的方式，获得该位置IMU各个轴输出数据，直至获得所有所需位置IMU各个轴输出数据。

本发明还可以包括：

1、IMU几何中心与旋转框架载物台面几何中心相重合，旋转框架内框架轴与旋转框架载物台面垂直，旋转框架外框架轴与旋转框架载物台面平行，旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴组成平面的几何中心与载体的重心位于一条垂直线上。

本发明的优势在于：

1、在现场条件下，借助于电子水泡，控制带有旋转框架的IMU转位，直接在载体上完成标定，不用将IMU拆下后再完成标定，减小了现场对高精度转位机构的依赖，也减少了标定时间。

2、利用安装在旋转框架台面上3个的两两正交单轴电子水泡消除由于框架坐标系与地理坐标系之间水平不重合而产生的误差，利用陀螺经纬仪实现坐标系的方位对准，降低旋转框架的设计时的精度要求，从而大大减少设计成本。

3、在标定时可以直接控制旋转框架转轴转位来完成现场IMU的标定，且在每一个位置都能够借助水平面内的2个单轴电子水泡消除由于框架转位误差而引入的水平输入误差，整个标定过程只用位置法来完成，减少了标定所需的标定时间。

4、利用多传感器融合技术可以保证整个标定过程是将系统一次通电条件下完成，控制旋转框架转轴按照标定方案转动，每个位置上采集数据，就可以完成参数辨识，极大的减少了系统的测试时间，提高了系统的机动性。

5、本发明设计的多传感器融合技术在框架转位法SIMU标定中的应用方法只要结合转位标定方案，可以完成IMU全部参数辨识。

6、本发明涉及的电子水泡可以根据实际标定框架结构需求及设计尺寸选择多个单轴或者2个双轴，使得整个标定系统结构设计及选择更加便捷紧凑。

7、本发明多传感器融合技术在框架转位法SIMU标定中的应用方法中，设计中的多传感器融合思想不局限于多个相同的传感器，也不局限于多个不同传感器；其次，消除框架坐标系与地理坐标系之间水平误差也不局限于电子水泡技术，任何可以敏感到这一水平误差的传感器都可以。

附图说明

图1为本发明的应用方法图示意图；

图2为本发明各部件总体安装示意图；

图3为本发明旋转框架载物台面结构安装图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，本发明包括以下步骤：

步骤1，由图1、2、3，安装时旋转框架载物台面3与地理水平面平行，把旋转框架载物台面挡板8垂直安装于旋转框架载物台面3上，旋转框架载物台面挡板8一条边与旋转框架载物台面3一条边重合；安装时3个单轴的电子水泡1满足右手坐标系，其中2个水泡测量轴相互垂直，位于旋转框架载物台面3内，第3个水泡紧贴旋转框架载物台面挡板8内侧，第3个水泡测量轴与旋转框架载物台面3内的2个水泡测量轴垂直。

步骤2，由图1、2、3，步骤1，旋转框架载物台面3内的2个电子水泡安装时，其中1个电子水泡误差测量轴紧贴旋转框架载物台面3所在平面的一条边，位于旋转框架载物台面3内的第2个电子水泡紧贴第1个电子水泡安装，第2个电子水泡测量轴与第1个电子水泡误差测量轴垂直。

步骤3，由图1、2、3，步骤1、2，把IMU2安装在旋转框架载物台面3上，轴系驱动轴承及支撑机构6安装在载体7上，依靠轴系驱动轴承及支撑机构6把旋转框架载物台面3安装在旋转框架内框架轴4上，再将旋转框架内框架轴4及旋转框架外框架轴5按照既定设计要求安装在载体7上；安装时要使得IMU2几何中心与旋转框架载物台面3几何中心相重合，旋转框架内框架轴4与旋转框架载物台面3垂直，旋转框架外框架轴5与旋转框架载物台面3平行，旋转框架内框架轴4及旋转框架外框架轴5组成平面的几何中心与载体7的重心位于一条垂直线上，安装完成后系统通电。

步骤4，依据图1、4，步骤1、2、3，系统通电后，用陀螺经纬仪或者北向基准仪对IMU2坐标系与当地地理的北向进行对准。

步骤5，依据图1、4，由步骤1、2、3、4，初始位置完成坐标系北向对准后，采集旋转框架载物台面3内2个单轴水泡1的输出，把2个单轴水泡1输出作为水平安装偏差融合量，利用该偏差量分别控制旋转框架内框架轴4及旋转框架外框架轴5转动，直到2个电子水泡1输出为零，消除惯性组件安装时产生的安装水平误差。

步骤6，依据图1、4，由步骤5，按照预设标定方案控制旋转框架内框架轴4及旋转框架外框架轴5至第1位置，第1位置时有2个相互垂直的电子水泡1与当地地理水平面平行，采集这2个单轴水泡输出的偏差融合量，将该误差量分别与旋转框架内框架轴4和旋转框架外框架轴5的转位位置控制量进行叠加，分别驱动旋转框架内框架轴4和旋转框架外框架轴5转动，直到这2电子水泡输出均为零。

步骤7，依据图1、4，由步骤5、6，在第1位置，与当地地理水平面平行的2个电子水泡输出均为零时，采集并保存IMU2各个轴输出数据。

步骤8，依据图1、4，由步骤7，在第1位置IMU2输出数据保存结束后，按照预设标定方案分别控制旋转框架内框架轴4和旋转框架外框架轴5转动至下一位置，重复步骤5及步骤6，直至位置标定法所有位置转位结束且IMU2各个轴输出数据全部保存结束。

步骤9，依据图1、4，由步骤8，在所有位置IMU2输出数据保存完成后，经过数据处理和参数辨识方法就完成IMU2一次通电标定任务。

本发明公开了一种多传感器融合技术在框架转位法SIMU标定中的应用方法，采集安装在旋转框架台面上的电子水泡输出的水平偏差量，将其与旋转框架位置控制量进行融合，控制转位机构重新转位，消除初始位置及框架转位过程中存在的SIMU水平误差输入，现场条件下利用1次通电实现SIMU标定工作，缩短了SIMU标定时间，降低了SIMU标定时对高精度转位机构的依赖，通过电子水泡融合技术降低了标定转位机构的设计成本，不需要二次拆装SIMU就可以完成标定工作，从整体上提高了系统灵活性，进一步促进了现场条件下IMU快速标定方法的研究及应用。

本发明具备以下特点：

1、本发明在现场条件下，将电子水泡测量的SIMU标定过程中框架坐标系与地理坐标系之间的水平安装误差及旋转框架转位水平误差融合到框架位置控制量中，减小框架水平安装误差及框架转位水平误差，实现利用低精度框架实现高精度SIMU的标定。

2、对于电子水泡，可以是垂直安装在旋转框架上的2个双轴电子水泡，也可以是两两正交安装在旋转框架的台面上3个单轴电子水泡，通过及时地测量旋转框架水平轴与地理水平之间的绝对误差，采集电子水泡的输出，再将误差偏差量与旋转框架位置控制信号融合后，就可以完成标定过程时框架水平误差补偿。

3、在带有旋转框架的IMU系统安装完成并通电后，通过安装在旋转框架上或者旋转框架的台面上电子水泡实现框架坐标系与地理坐标水平对准，用北向基准仪完成坐标系北向对准。

4、SIMU在初始位置时，利用水平面内的水泡直接消除框架在安装时存在的水平误差，也可以消除SIMU与框架安装时的安装水平误差。

5、对电子水泡安装方式来说，控制旋转框架实现转位时，可以保证每一位置时有2个相互垂直的单轴电子水泡位于水平面内。

6、对于电子水泡融合技术SIMU框架转位标定法来说，旋转框架转位后，每一个位置时均可及时地借助水平面内2个单轴电子水泡来减小框架转位时存在的水平转位误差，保证每一位置IMU只获得理想输入。

7、对于多传感器融合技术，可以用2个双轴电子水泡相互垂直安装或者3个单轴子水泡两两垂直安装，除了电子水泡，也可以是其他的传感器，只要能够测量所在设备坐标系与地理坐标系之间的水平误差即可。

8、对于多传感器融合技术SIMU框架转位标定法，借助于传感器融合技术，只需要按照标定方案控制旋转框架转位，采集并保存每一位置IMU输出，就可以在现场用低精度旋转框架完成高精度SIMU的标定。

Claims (2)

1.一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法，其特征是：

采用如下装置：包括电子水泡、IMU、旋转框架载物台面、旋转框架内框架轴、旋转框架外框架轴、轴系驱动轴承及支撑机构、载体、旋转框架载物台面挡板；

(1)将旋转框架载物台面与地理水平面平行设置，把旋转框架载物台面挡板垂直安装于旋转框架载物台面上，旋转框架载物台面挡板一条边与旋转框架载物台面一条边重合；所述的电子水泡包括3个单轴的电子水泡，3个单轴的电子水泡满足右手坐标系，其中第一电子水泡和第二电子水泡的测量轴相互垂直，且位于旋转框架载物台面内，第三电子水泡贴在旋转框架载物台面挡板内侧，第三电子水泡的测量轴与旋转框架载物台面内的第一电子水泡和第二电子水泡的测量轴垂直；

(2)将第一电子水泡测量轴紧贴旋转框架载物台面的一条边，位于旋转框架载物台面内的第二电子水泡紧贴第一电子水泡安装，第二电子水泡测量轴与第一电子水泡测量轴垂直；

(3)把IMU安装在旋转框架载物台面上，轴系驱动轴承及支撑机构安装在载体上，依靠轴系驱动轴承及支撑机构把旋转框架载物台面安装在旋转框架内框架轴上，再将旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴安装在载体上；

(4)用陀螺经纬仪或者北向基准仪对IMU坐标系与当地地理的北向进行对准；

(5)采集旋转框架载物台面内2个单轴水泡的输出，把2个单轴水泡输出作为水平安装偏差融合量，利用该偏差融合量分别控制旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴转动，直到2个电子水泡输出为零，消除惯性组件安装时产生的安装水平误差；

(6)控制旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴至第一个位置，第一个位置时有2个相互垂直的电子水泡与当地地理水平面平行，采集这2个单轴水泡输出的偏差融合量，将该偏差融合量分别与旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴的转位位置控制量进行叠加，分别驱动旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴转动，直到这2电子水泡输出均为零；

(7)在第一个位置，与当地地理水平面平行的2个电子水泡输出均为零时，采集并保存IMU各个轴输出数据；

(8)在第1位置IMU输出数据保存结束后，控制旋转框架内框架轴和旋转框架外框架轴转动至下一个位置，采用步骤(5)和步骤(6)的方式，获得该位置IMU各个轴输出数据，直至获得所有所需位置IMU各个轴输出数据。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器融合技术外场捷联惯性组件快速标定方法，其特征是：IMU几何中心与旋转框架载物台面几何中心相重合，旋转框架内框架轴与旋转框架载物台面垂直，旋转框架外框架轴与旋转框架载物台面平行，旋转框架内框架轴及旋转框架外框架轴组成平面的几何中心与载体的重心位于一条垂直线上。