CN105675018B - 一种姿态检测系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种姿态检测系统标定方法，属于管道姿态检测技术领域。本发明中，根据姿态检测系统中陀螺仪与加速度传感器误差特性，建立误差模型，在通过位置标定和速率标定来标定上述误差模型中的误差系数，该标校方法简单易用，可操作性强，适于工程应用。

Description

一种姿态检测系统标定方法
技术领域
本发明涉及管道姿态检测技术领域，尤其涉及一种姿态检测系统标定方法。
背景技术
随着石油天然气等能源的需求量逐渐加大，管道作为最基础、最经济的能源运输方式之一，其安全性越来越受到重视。姿态检测系统随管道检测器在管道内运行，为管道缺陷检测提供沿管道周向旋转的角度和倾角信息。姿态检测系统通常包括陀螺仪和加速度传感器，姿态检测系统的工作性能受许多误差源如安装误差、制造误差等的影响，因此，有必要标定姿态检测系统的各误差参数，并在组成姿态检测系统时对误差做补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易用、操作性强的姿态检测系统标定方法，以修正姿态检测系统的常值误差，提高姿态检测系统的精度。
为达上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种姿态检测系统标定方法，包括以下步骤：
步骤一、根据姿态检测系统中陀螺仪与加速度传感器误差特性，建立误差模型：Ngrx＝Dfx+Sgrxωx
Ngx＝Kgx0+Kgx1ay+Kgx2az+Sgxax (1)；
Ngy＝Kgy0+Kgy1ax+Kgy2az+Sgyay
Ngz＝Kgz0+Kgz1ax+Kgz2ay+Sgzaz
式中，Ngrx为陀螺仪的脉冲输出，脉冲数/s；Ngx、Ngy、Ngz分别为加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴的脉冲输出，脉冲数/s；Dfx为陀螺仪的常值漂移，脉冲数/s；Sgrx为陀螺仪的标度因数，(脉冲数/s)/(°/s)；Kgx1、Kgx2、Kgy1、Kgy2、Kgz1，Kgz2为加速度传感器的安装误差系数，(脉冲数/S)/(°/s)；Kgx0、Kgy0、Kgz0为加速度传感器的偏值，脉冲数/S；Sgx、Sgy、Sgz为加速度传感器的标度因数，(脉冲数/S)/g；
步骤二、标定，包括位置标定和速率标定，位置标定设计6个位置对加速度传感器的误差系数进行标定，6个标定位置分别为令转台的X轴、Y轴、Z轴分别与地球坐标系的天、地重合的六个位置，让姿态检测系统依次处于6个位置，调整好转台后，连续记录一定时间T1内加速度传感器的脉冲输出；
速率标定，设计至少4个角速度对陀螺仪的误差系数进行标定，采集陀螺仪在4个角速度下且在一定时间T2内的脉冲输出，其中两个角速度分别为同一速率下的沿顺时针和逆时针的角速度，另两个角速度分别为另一相同速率下的沿顺时针和逆时针的角速度；
步骤三、解算
首先，利用步骤二的位置标定中获得的数据对加速度传感器误差系数进行解算，再利用下列公式(5)和(6)解算陀螺仪的误差系数：
式中，Ngx(2)、Ngx(3)、Ngx(4)、Ngx(5)为步骤二的位置标定中的除转台的X轴与地球坐标系的地、天重合外的4个位置下加速度计X轴脉冲输出，Ngrx+(1')、Ngrx-(2')、Ngrx+(3')、Ngrx-(4')为陀螺仪在4个角速度下的脉冲输出，且其中Ngrx+(1')、Ngrx-(2')为陀螺仪在同一速率的分别沿顺时针和逆时针的角速度下的的脉冲输出，Ngrx+(3')、Ngrx-(4')为陀螺仪在同一速率的分别沿顺时针和逆时针的角速度下的的脉冲输出。
更进一步地，步骤三中通过下列公式(2)、(3)、(4)对加速度传感器误差系数进行解算：
式中，Ngx(1)、Ngx(2)、Ngx(3)、Ngx(4)、Ngx(5)、Ngx(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计X轴脉冲输出，Ngy(1)、Ngy(2)、Ngy(3)、Ngy(4)、Ngy(5)、Ngy(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Y轴脉冲输出，Ngz(1)、Ngz(2)、Ngz(3)、Ngz(4)、Ngz(5)、Ngz(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Z轴脉冲输出，Kgx0、Kgx1、Kgx2，Kgy0、Kgy1、Kgy2，Kgz0、Kgz1、Kgz2分别为加速度计X轴、Y轴、Z轴的误差系数。
更进一步地，步骤二中通过以下四组实验进行速率标定：实验1’、角速度60°/s，顺时针；实验2’、角速度-60°/s，逆时针；实验3’、角速度120°/s，顺时针；实验4’、角速度-120°/s，逆时针；另外，四组实验的T2均为12s。
更进一步地，该方法还包括步骤四、补偿，通过速率标定解算的Sgrx和Dfx，位置标定解算的Sgx，Sgy，Sgz，Kgx0,Kgx1,Kgx2，Kgy0,Kgy1,Kgy2，Kgz0,Kgz1,Kgz2，利用公式(1)补偿陀螺仪与加速度传感器的测量值。
本发明的有益效果为：
本发明中，根据姿态检测系统中陀螺仪与加速度传感器误差特性，建立误差模型，在通过位置标定和速率标定来标定上述误差模型中的误差系数，该标校方法简单易用，可操作性强，适于工程应用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
本实施例提供了一种姿态检测系统标定方法，姿态检测系统包括陀螺仪与三轴加速度传感器，该标定方法具体包括以下步骤：
步骤一、根据姿态检测系统中陀螺仪与加速度传感器误差特性，建立误差模型：Ngrx＝Dfx+Sgrxωx
Ngx＝Kgx0+Kgx1ay+Kgx2az+Sgxax (1)；
Ngy＝Kgy0+Kgy1ax+Kgy2az+Sgyay
Ngz＝Kgz0+Kgz1ax+Kgz2ay+Sgzaz
式中，Ngrx为陀螺仪的脉冲输出，脉冲数/s；Ngx、Ngy、Ngz分别为加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴的脉冲输出，脉冲数/s；Dfx为陀螺仪的常值漂移，脉冲数/s；Sgrx为陀螺仪的标度因数，(脉冲数/s)/(°/s)；Kgx1、Kgx2、Kgy1、Kgy2、Kgz1，Kgz2为加速度传感器的安装误差系数，(脉冲数/S)/(°/s)；Kgx0、Kgy0、Kgz0为加速度传感器的偏值，脉冲数/S；Sgx、Sgy、Sgz为加速度传感器的标度因数，(脉冲数/S)/g；
步骤二、标定，包括位置标定和速率标定，位置标定设计6个位置对加速度传感器的误差系数进行标定，6个标定位置分别为令转台的X轴、Y轴、Z轴分别与地球坐标系的天、地重合的6个位置，具体地，这6个位置如表1所示，让姿态检测系统依次处于6个位置，调整好转台后，连续记录一定时间T1内加速度传感器的脉冲输出，本实施例中，T1为60s；
表1
位置 X轴 Y轴 Z轴 ax ay az ωx
1 地 北 东 -g 0 0 -ωieu
2 东 天 南 0 g 0 0
3 东 北 天 0 0 g 0
4 东 地 北 0 -g 0 0
5 东 南 地 0 0 -g 0
6 天 西 南 g 0 0 ωieu
速率标定，设计至少四组实验1’、2’、3’、4’对陀螺仪的误差系数进行标定，四组实验采集陀螺仪在4个角速度下且在一定时间T2内的脉冲输出，其中两个角速度分别为同一速率下的沿顺时针和逆时针的角速度，另两个角速度分别为另一相同速率下的沿顺时针和逆时针的角速度，具体地，该四组实验中的角速度、采样时间和角速度的方向如表2所示：
表2
序号 角速度 T2
1’ 60°/s 12s 顺时针
2’ -60°/s 12s 逆时针
3’ 120°/s 12s 顺时针
4’ -120°/s 12s 逆时针
步骤三、解算
首先，利用步骤二的位置标定中获得的数据对加速度传感器误差系数进行解算，具体地，通过下列公式(2)、(3)、(4)对加速度传感器误差系数进行解算：
式中，Ngx(1)、Ngx(2)、Ngx(3)、Ngx(4)、Ngx(5)、Ngx(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计X轴脉冲输出，Ngy(1)、Ngy(2)、Ngy(3)、Ngy(4)、Ngy(5)、Ngy(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Y轴脉冲输出，Ngz(1)、Ngz(2)、Ngz(3)、Ngz(4)、Ngz(5)、Ngz(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Z轴脉冲输出，Kgx0、Kgx1、Kgx2，Kgy0、Kgy1、Kgy2，Kgz0、Kgz1、Kgz2分别为加速度计X轴、Y轴、Z轴的误差系数；
其次，再利用下列公式(5)和(6)解算陀螺仪的误差系数：
步骤四、补偿，通过速率标定解算的Sgrx和Dfx，位置标定解算的Sgx，Sgy，Sgz，Kgx0,Kgx1,Kgx2，Kgy0,Kgy1,Kgy2，Kgz0,Kgz1,Kgz2，利用公式(1)补偿陀螺仪与加速度传感器的测量值。
本实施例中，充分利用姿态系统内部传感器信息，依据陀螺误差在短时间内变化不大的特点，首先对加速度传感器角度误差进行修正，在后续检测工作中，以加速度传感器角度为参考，修正陀螺随时间漂移的误差，使信息互用，达到姿态角实时修正的目的，该标校方法简单易用，可操作性强，适于工程应用。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种姿态检测系统标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据姿态检测系统中陀螺仪与加速度传感器误差特性，建立误差模型：
式中，Ngrx为陀螺仪的脉冲输出，脉冲数/s；Ngx、Ngy、Ngz分别为加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴的脉冲输出，脉冲数/s；Dfx为陀螺仪的常值漂移，脉冲数/s；Sgrx为陀螺仪的标度因数，脉冲数/°；Kgx1、Kgx2、Kgy1、Kgy2、Kgz1，Kgz2为加速度传感器的安装误差系数，脉冲数/°；Kgx0、Kgy0、Kgz0为加速度传感器的偏值，脉冲数/S；Sgx、Sgy、Sgz为加速度传感器的标度因数，脉冲数/S/g；
步骤二、标定，包括位置标定和速率标定，位置标定设计6个位置对加速度传感器的误差系数进行标定，6个标定位置分别为令转台的X轴、Y轴、Z轴分别与地球坐标系的天、地重合的六个位置，让姿态检测系统依次处于6个位置，调整好转台后，连续记录一定时间T1内加速度传感器的脉冲输出；
速率标定，设计至少4个角速度对陀螺仪的误差系数进行标定，采集陀螺仪在4个角速度下且在一定时间T2内的脉冲输出，其中两个角速度分别为同一速率下的沿顺时针和逆时针的角速度，另两个角速度分别为另一相同速率下的沿顺时针和逆时针的角速度；
步骤三、解算
首先，利用步骤二的位置标定中获得的数据对加速度传感器误差系数进行解算，再利用下列公式(5)和(6)解算陀螺仪的误差系数：
式中，Ngx(2)、Ngx(3)、Ngx(4)、Ngx(5)为步骤二的位置标定中的除转台的X轴与地球坐标系的地、天重合外的4个位置下加速度计X轴脉冲输出，Ngrx+(1')、Ngrx-(2')、Ngrx+(3')、Ngrx-(4')为陀螺仪在4个角速度下的脉冲输出，且其中Ngrx+(1')、Ngrx-(2')为陀螺仪在同一速率的分别沿顺时针和逆时针的角速度下的的脉冲输出，Ngrx+(3')、Ngrx-(4')为陀螺仪在同一速率的分别沿顺时针和逆时针的角速度下的的脉冲输出。
2.一种根据权利要求1所述的姿态检测系统标定方法，其特征在于，步骤三中通过下列公式(2)、(3)、(4)对加速度传感器误差系数进行解算：
式中，Ngx(1)、Ngx(2)、Ngx(3)、Ngx(4)、Ngx(5)、Ngx(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计X轴脉冲输出，Ngy(1)、Ngy(2)、Ngy(3)、Ngy(4)、Ngy(5)、Ngy(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Y轴脉冲输出，Ngz(1)、Ngz(2)、Ngz(3)、Ngz(4)、Ngz(5)、Ngz(6)为步骤二的位置标定中的6个位置下加速度计Z轴脉冲输出，Kgx0、Kgx1、Kgx2，Kgy0、Kgy1、Kgy2，Kgz0、Kgz1、Kgz2分别为加速度计X轴、Y轴、Z轴的误差系数。
3.一种根据权利要求1所述的姿态检测系统标定方法，其特征在于，步骤二中通过以下四组实验进行速率标定：实验1’、角速度60°/s，顺时针；实验2’、角速度-60°/s，逆时针；实验3’、角速度120°/s，顺时针；实验4’、角速度-120°/s，逆时针；另外，四组实验的T2均为12s。
4.一种根据权利要求1至3任一所述的姿态检测系统标定方法，其特征在于，还包括步骤四、补偿，通过速率标定解算的Sgrx和Dfx，位置标定解算的Sgx，Sgy，Sgz，Kgx0,Kgx1,Kgx2，Kgy0,Kgy1,Kgy2，Kgz0,Kgz1,Kgz2，利用公式(1)补偿陀螺仪与加速度传感器的测量值。
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