CN104567922A - 基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种轴系垂直度动基座测量方法。本发明利用惯性加速度计装置、上位机数据传输与控制采集软件，在动基座条件下，通过加速度计惯性测角原理，对轴系垂直度进行计算。并将测试各环节与仪器误差建模得到最终数据误差限。本发明采用了共线对应位置双加速度计消除动态扰动误差方法，得到了在动基座，大扰动条件下垂直度测试结果的可信数据，为航行或者系泊状态时惯导平台机械指标的检定提供了简便有效方法。

Description

基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法

技术领域

本发明属于一种机械式惯导平台技术，涉及一种轴系垂直度动基座测量方法。

背景技术

精密轴系是平台式惯导系统的结构基础，其一般采用机电控制方法建立物理机械平台，导航加速度计和陀螺仪都安装在该物理平台上。平台根据解算方式的不同如半解析式，几何式和解析式等具有不同物理用途，但都需通过其三根稳定轴模拟一种导航坐标系。因此，轴线回转精度，轴线垂直度精度作为平台式惯导系统的重要结构参数，对惯导平台输出的加、角速度等数据准确度有直接影响。

长期使用过程中，输出数据精度可能会发生变化，精度的变化可能来源于多方面影响，如陀螺仪加速度计的使用寿命与误差累积，惯导组件与平台连接的位置关系，轴系垂直度的轻微变化等等，系统也可能出现故障。惯导平台装船后，一旦出现上述情况，需要对技术故障进行分析、定位。舰船离港后，处于动基座状态，现有如光电自准直仪法或水平仪法等基于静基座条件下，在动基座下无法对轴系垂直度精度进行测量，因此也就难以实现对故障的定性分析。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够在动基座状态下，实现对轴系垂直度精确测量的方法。

本发明的技术方案是：一种基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其利用静基座条件下的测量原理，结合动基座条件，解算出扰动输出量，根据不同扰动源，设置三个共线的加速度计，且其共线通过惯导平台中心，通过相邻轴系相互表征的垂直关系，利用静基座条件下的相邻轴的角度关系，结合三个加速度计的输出，得到动基座条件下的轴系垂直度。

一个加速度计设置在相邻轴系的几何中心，另外两个加速度计设置在相邻轴系外框轴的两端。

所述通过调节顶丝调节加速度计输出，使得相邻轴系外框轴两端输出差值小于10^-3g。

所述的基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其动基座条件下的轴系垂直度F如下：

F＝-2cos(t)sin(t)m+(sin(t)²-cos(t)²)n-p       (3)

其中，m为第一次旋转后的x轴去掉零偏误差后的输出值，n为第一次

旋转后的y轴去掉零偏误差后输出值，F为第二次旋转后的y轴输出，p

为参考y轴零偏误差。

所述动基座条件下的轴系垂直度F的误差如下：

$\mathrm{\δt}=\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dm}}\right|\·\mathrm{\δm}+\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dn}}\right|\·\mathrm{\δn}+\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dp}}\right|\·\mathrm{\δp}---\left(4\right)$

本发明的优点：本发明采用了共线对应位置双加速度计消除动态扰动误差方法，得到了在动基座，大扰动条件下垂直度测试结果的可信数据，解决了机械式惯导平台在没有静基座支持，处于航行或者系泊状态时不能进行垂直度测量，难以对故障定性分析确定误差源，或在平台装调完成及全寿命周期检测中需要工装拆卸配合的难题。而且通过实验验证，测量精度可以达到实际需求，而且方法简单，易于实施，具有较大实际应用价值。

附图说明

图1是本发明基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法的原理示意图，其中，-外部施力源作用平台产生的偏角、ω-外部施力源作用平台产生的角加速度、A,B分别为外框轴两侧对称布置的加速度计模块。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明以矩阵位姿变换和基于刚体动力学的运动分析为基础，给出测量原理与动基座条件下对扰动输出量的解算方法，定量得到多加速度计在不同运动状态下的输出数据与多轴系垂直度之间的测试数学模型；对测试平台搭建过程中应用到的各类设备建立误差传递函数；通过数据采集与数据处理算法设计，完成垂直度计算与误差分析。本测量方法通过简化动态物理模型，可以简化大航程采用平台式惯导舰船的惯性设备检定过程，是对国内现有对利用加速度计测角理论方法研究的延伸和拓展。

静基座条件下的垂直度t和加速度计y轴零偏β_y的对应关系(单加速度计)：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1-{\mathrm{\β}}_x\\ y_1-{\mathrm{\β}}_y\\ z_1-{\mathrm{\β}}_z\end{array}\right]=P_1\left[\begin{array}{c}x-{\mathrm{\β}}_x\\ y-{\mathrm{\β}}_y\\ z-{\mathrm{\β}}_z\end{array}\right],---\left(1\right)$

β_x,β_y,β_z为各轴加计零偏。

y₁-β_y＝2sintcost(x-β_x)+(cos²t-sin²t)(y-β_y)       (2)

作为垂直度求解公式。

理由 $\begin{array}{cc}F\left(\mathrm{\θ}\right)=g\cos \mathrm{\θ}& F\left(\mathrm{\θ}\right)=g\sin \mathrm{\θ}\\ \frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{d\θ}}=-g\sin \mathrm{\θ}& \frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{d\θ}}=g\cos \mathrm{\θ}\\ \underset{\mathrm{\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{d\θ}}=0& \underset{\mathrm{\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{d\θ}}=g\end{array}---\left(5\right)$

采用不同敏感轴时，对式(3)，F对角θ的一阶导在θ→0时极限值差别很大，对重力加速度g的非敏感轴Y作为计算轴对微小变化量描述灵敏度较高。

动基座条件下的测量公式：

如图1所示，两附加加速度计安装在平台框架同轴线两侧，与中心加速度计共线。调节方法：输出调节法。

动基座状态下，可视为等刚体的转台轴系结构在出现外加扰动偏角和外力矩施加产生的角加速度情况下，具有自身结构中任意位置的等倾斜角度φ和角加速度。对于静基座偏角a，三个加速度计模块各轴敏感输出相等；对于角加速度形成的线加速度，施力源位置未知，受力分析可从图1几何模型中得到。

$\frac{P_1^2-P_2^2+L^2}{2P_{1}L}=\frac{2(P_1^2+\frac{1}{4}{L}^2-B{F}^2)}{2P_{1}L}---\left(4\right)$

误差模型：

包括零偏误差β、数据采集精度、摆放误差γ、加速度模块输出误差η项，F＝-2cos(t)sin(t)m+(sin(t)²-cos(t)²)n-p        (5)

$\mathrm{\δt}=\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dm}}\right|\·\mathrm{\δm}+\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dn}}\right|\·\mathrm{\δn}+\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dp}}\right|\·\mathrm{\δp}---\left(6\right)$

摆放误差γ

$F=-2\cos \left(\mathrm{\γ}\right)\cos \left(t\right)\sin \left(t\right)m+(\sin {\left(t\right)}^2-\cos {\left(t\right)}^2)n+2\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\cos \left(t\right)\sin \left(t\right)\sqrt{1-m^2-n^2}-p---\left(7\right)$

现场布置方面，根据动基座算法理论，利用某SGT-3型三轴惯导转台台体实验，在其内框轴框架上放置与中心位置相同指向的模块，调节工装顶丝，使其测量周期内z轴输出均值与框架模块z轴输出偏差小于10^-3。控制内框轴旋转180°，得差角α₂，控制中框轴旋转180°，得差角α₃。记录一个测量周期内均值，导入相应程序，得差角α₃。垂直度α＝α₂-α₃。

多次实验结果证明通过在一条直线上的两侧附加加速度模块对中心加速度模块做动基座条件下数据解算补偿的近似数学模型是有效的。当采用1×10^-5g甚至更高精度加速度计时，测试模型遵循基本线性关系，最终垂直度精度可以达到1″数量级，误差限数量级仅为10^-1″。

综上所述本发明解决了机械式惯导平台在没有静基座支持，处于航行或者系泊状态时不能进行垂直度测量，难以对故障定性分析确定误差源，或在平台装调完成及全寿命周期检测中需要工装拆卸配合的难题。通过实验验证，测量精度可以达到实际需求。

Claims (5)

1.基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其特征在于，利用静基座条件下的测量原理，结合动基座条件，解算出扰动输出量，根据不同扰动源，设置三个共线的加速度计，且其共线通过惯导平台中心，通过相邻轴系相互表征的垂直关系，利用静基座条件下的相邻轴的角度关系，结合三个加速度计的输出，得到动基座条件下的轴系垂直度。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其特征在于，一个加速度计设置在相邻轴系的几何中心，另外两个加速度计设置在相邻轴系外框轴的两端。

3.根据权利要求2所述的基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其特征在于，所述通过调节顶丝调节加速度计输出，使得相邻轴系外框轴两端输出差值小于10^-3g。

4.根据权利要求2所述的基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其特征在于，动基座条件下的轴系垂直度t如下：

F＝-2cos(t)sin(t)m+(sin(t)²-cos(t)²)n-p    (3)

其中，m为第一次旋转后的x轴去掉零偏误差后的输出值，n为第一次旋转后的y轴去掉零偏误差后输出值，F为第二次旋转后的y轴输出，p为参考y轴零偏误差。

5.根据权利要求4所述的基于加速度计的轴系垂直度动基座测量方法，其特征在于，所述动基座条件下的轴系垂直度F的误差如下：

$\mathrm{\δt}=\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dm}}\right|\·\mathrm{\δm}\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dn}}\right|\·\mathrm{\δn}\left|\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dp}}\right|\·\mathrm{\δp}---\left(4\right).$