CN106052714A - 多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，该方法包括以下步骤：多轴斜置光纤陀螺组合安装在三轴转台上，先测算出多轴斜置光纤陀螺组合中各陀螺的敏感轴相对三轴转台外框旋转轴的安装误差，再根据测算出的安装误差和标度因数测试规定的速率点，推算出本测试方法中三轴转台外框转动的速率点，之后进行测试。通过本测试方法可以同时计算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的标度因数性能参数的数值。本发明对陀螺组合的安装形式没有严格要求，对陀螺组合安装的工装精度没有要求，将原有方法的测试时间缩短到1/N(N为多轴斜置光纤陀螺组合中陀螺轴的个数)。

Description

多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法

技术领域

本发明涉及惯性导航及其相关领域，尤其涉及一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光电式惯性敏感器，具有精度高、抗振动冲击能力强、启动快等优点。目前光纤陀螺已经广泛应用于军事领域和工业领域，包括飞行器姿态控制、寻北系统、导航系统、轨道测量、施工定向、机器人控制等。

多轴斜置光纤陀螺组合是指将多个单轴光纤陀螺采用倾斜配置组装在一起。其优点在于采用了冗余设计，提高了光纤陀螺在实际应用中的可靠性；且倾斜配置的设计减小了产品的体积和重量。多轴斜置光纤陀螺组合中各陀螺轴与陀螺组合基体系Z轴夹角理论上相同(如图1所示)。各陀螺轴在基体系XOY面投影的夹角为360°/N(N为多轴斜置光纤陀螺组合中陀螺轴的个数)。

标度因数性能是光纤陀螺一项重要的性能，标度因数性能主要包括非线性度，不对称性以及重复性等参数。原有多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法是根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》，选定M个速率点对多轴斜置光纤陀螺组合中的各轴陀螺分别进行标度因数性能测试。其主要有两种方法，第一种方法是使用单轴转台，通过工装，使得多轴斜置光纤陀螺组合各敏感轴分别与单轴转台的转动轴平行，逐一对多轴斜置光纤陀螺组合的各个陀螺进行标度因数的性能测试。第二种方法是使用三轴转台，通过调整三轴转台内框和中框的角度，使得多轴斜置光纤陀螺组合的各敏感轴分别与外框的转动轴平行，再逐一对多轴斜置光纤陀螺组合的各只陀螺进行标度因数的性能测试。上述两种方法对多轴斜置光纤陀螺组合工装的精度要求较高，且操作复杂，测试时间长。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法。该方法先测算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的敏感轴相对三轴转台外框旋转轴的安装误差E_qZ。当三轴转台外框旋转轴上的输入角速度是ω′'时，通过安装误差E_qZ，可以求得多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺敏感轴上的输入角速度Ω_qi。从而可以快速，准确地一次性对多轴斜置光纤陀螺组合中所有陀螺的标度因数性能进行测试。解决了原有多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能测试技术操作复杂、耗时、对工装精度要求严格的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，该方法先通过转台试验和相应的数据处理测算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的敏感轴相对三轴转台外框旋转轴的安装误差E_qZ；当三轴转台外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′时，通过安装误差E_qZ，在标度因数试验和相应的数据处理中可以求得多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺敏感轴上的输入角速率Ω_qi；在外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′下，采集多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺在T时间内的累积输出R_qi；最后针对多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列，以R_qi作为陀螺的输出序列，根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》一次性对多轴斜置光纤陀螺组合中所有陀螺的标度因数性能进行测试。

进一步地，所述转台试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)将多轴斜置光纤陀螺组合安装在三轴转台上，并使得多轴斜置光纤陀螺组合的基体系Z轴与转台外框旋转轴重合；

(2)将基体系Z轴与外框旋转轴重合后，选定转台的角速率为ω，分别以±ω转动转台的外框，转动时间为T，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3…N)的陀螺在t时间内的累积输出，得到正转的累积输出R_qZ+和反转的累积输出R_qZ-；其中，|ω|*t＝360°*Q，Q为正整数，ω单位为(°/s)，T的单位为(s)；下标Z代表基体系Z轴与外框旋转轴重合，下标+表示正转，下标-表示反转，逆时针为正转，顺时针为反转；

(3)调整内框、中框的位置，使基体系的X轴、Y轴分别与外框旋转轴重合，重复步骤2，分别得到基体系X轴与外框旋转轴重合后多轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qx+、R_qX-以及基体系Y轴与外框旋转轴重合后多轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qY+、R_qY-；

(4)经过步骤2和步骤3，得到多轴斜置陀螺组合中各只陀螺的累积输出为R_qZ+、R_qZ-、R_qx+、R_qX-和R_qY+、R_qY-；根据安装误差的计算原理可得多轴斜置光纤陀螺组合中敏感轴为A_q(q＝1、2、3…N)的陀螺与外框旋转轴的安装误差E_qZ：

$E_{qZ}=\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\left|\mathrm{\ω}\right|*\sqrt{{\left(\frac{R_{qX+}-R_{qX-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qY+}-R_{qY-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2}}$

进一步地，所述标度因数试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中单轴光纤陀螺标度因数测试方法，选取M个速率点ω_i，i＝1，2…M；

(2)根据安装误差E_qZ，在每个速率为ω_i下，求得转台的外框转动时的速率为

(3)将基体系Z轴与外框旋转轴重合，分别以ω_i′(i＝1，2…M)转动转台的外框，转动时间为T，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3…N)的陀螺在T时间内的累积输出R_qi，其中，|ω_i′|*T＝360°*Q，Q为正整数，下标i代表对应速率点的编号；

(4)当转台的外框转动的速率为ω_i′时，多轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴A_q上的输入角速率Ω_qi为

Ω_qi＝ω_i′*E_qZ。

(5)对多轴斜置陀螺组合的各只陀螺，以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列；以步骤3采集得到的R_qi作为陀螺的输出序列；根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》计算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺对应的标度因数的非线性度、重复性、不对称性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本测试方法无须使陀螺敏感轴与转台的旋转轴平行，即可测试。消除了工装带来的误差，对多轴斜置陀螺的安装没有严格要求。

2、通过测试计算多轴斜置光纤陀螺组合中各陀螺敏感轴与转台外框旋转轴的安装误差，可以求得多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺敏感轴上的输入角速率。无须逐一对多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺进行测试，可以一次性测试多轴斜置光纤陀螺组合中的所有陀螺的标度因数性能。有效提高测试时间，总测试时间缩短到1/N。(N为多轴斜置光纤陀螺组合中陀螺轴的个数)

附图说明

图1为本发明实施例中的四轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的轴向示意图；

图2为本发明实施例中测试方法的流程示意图。

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。

如图1所示，为本发明实施例中的四轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的轴向示意图；其中X、Y、Z为多轴斜置光纤陀螺组合的基体系，以四轴陀螺为例子：编号1、2、3、4分别代表四只光纤陀螺；A₁、A₂、A₃、A₄分别为各只陀螺的敏感轴，A₁、A₂、A₃、A₄在XOY面的投影分别与X正半轴、Y正半轴、X负半轴、Y负半轴重合；它们在XOY面之间的夹角为90°；A₁、A₂、A₃、A₄与基体系Z正半轴的夹角理论上都为54.73561°。

一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，该方法先通过转台试验和相应的数据处理测算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的敏感轴相对三轴转台外框旋转轴的安装误差E_qZ；当三轴转台外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′时，通过安装误差E_qZ，在标度因数试验和相应的数据处理中可以求得多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺敏感轴上的输入角速率Ω_qi；在外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′下，采集多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺在T时间内的累积输出R_qi；最后针对多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列，以R_qi作为陀螺的输出序列，根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》一次性对多轴斜置光纤陀螺组合中所有陀螺的标度因数性能进行测试。

进一步地，所述转台试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)将四轴斜置光纤陀螺组合安装在三轴转台上，并使得四轴斜置光纤陀螺组合的基体系Z轴与转台外框旋转轴重合；

(2)将基体系Z轴与外框旋转轴重合后，选定转台的角速率为ω，分别以±ω转动转台的外框，转动时间为t，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3、4)的陀螺在t时间内的累积输出，得到正转的累积输出R_qZ+和反转的累积输出R_qZ-；其中，|ω|*t＝360°*Q，Q为正整数，ω单位为(°/s)，T的单位为(s)；下标Z代表基体系Z轴与外框旋转轴重合，下标+表示正转，下标-表示反转，逆时针为正转，顺时针为反转；

(3)调整内框、中框的位置，使基体系的X轴、Y轴分别与外框旋转轴重合，重复步骤2，分别得到基体系X轴与外框旋转轴重合后四轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qX+、R_qx-以及基体系Y轴与外框旋转轴重合后四轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qY+、R_qY-；

(4)经过步骤2和步骤3，得到四轴斜置陀螺组合中各只陀螺的累积输出为R_qZ+、R_qZ-、R_qx+、R_qX-和R_qY+、R_qY-；根据安装误差的计算原理可得四轴斜置光纤陀螺组合中敏感轴为A_q(q＝1、2、3、4)的陀螺与外框旋转轴的安装误差E_qZ：

$E_{qZ}=\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\left|\mathrm{\ω}\right|*\sqrt{{\left(\frac{R_{qX+}-R_{qX-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qY+}-R_{qY-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2}}$

得到：

进一步地，所述标度因数试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中单轴光纤陀螺标度因数测试方法，选取M个速率点ω_i，i＝1，2…M；

(2)根据安装误差E_qZ，在每个速率为ω_i下，求得转台的外框转动时的速率为

(3)将基体系Z轴与外框旋转轴重合，分别以ω_i′(i＝1，2…M)转动转台的外框，转动时间为T，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3…N)的陀螺在T时间内的累积输出R_qi，其中，|ω_i′|*T＝360°*Q，Q为正整数，下标i代表对应速率点的编号；经过该过程采集得到四轴斜置陀螺组合中各只陀螺的累积输出R_q1、R_q2、R_q3、…、R_qM；

(4)当转台的外框转动的速率为ω_i′时，四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴A_q上的输入角速率Ω_qi为

Ω_qi＝ω_i′*E_qZ。

(5)根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》，对四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪建立输入输出关系的线性模型：

R_qi＝K_q*Ω_qi′+R_q0+Δ_qi

其中，K_q为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数；R_q0为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的拟合零位；Δ_qi为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的拟合误差；

(7)根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》，以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列；以步骤3采集得到的R_qi作为陀螺的输出序列；采用最小二乘法求四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数K_q和拟合零位R_q0为

$K_q=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Ω}}_{qi}*R_{qi}-\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Ω}}_{qi}*R_{qi}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\left({\mathrm{\Ω}}_{qi}\right)}^2-\frac{1}{M}{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Ω}}_{qi}\right)}^2}*\frac{1}{T}$

$R_{q0}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{R}_{qi}-\frac{K_q}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\Ω}}_{qi}$

可得和

(8)根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数非线性度计算为

用拟合直线表示四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪输入输出关系，如下：

${\hat{R}}_{qi}=K_q*{\mathrm{\Ω}}_{qi}+R_{q0}$

其中，代表四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪在输入角速率为Ω_qi时所对应拟合直线上计算的光纤陀螺仪的输出值。

则四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：

${\mathrm{\α}}_{qi}=\frac{{\hat{R}}_{qi}-R_{qi}}{\left|R_{qm}\right|}$

其中，R_qm为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪输出的单边幅值。则四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数非线性度K_qn为：

K_qn＝max|α_qi|

(9)根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数不对称性K_qα为

$K_{q\mathrm{\α}}=\frac{|K_{(q+)}-K_{(q-)}|}{{\stackrel{\‾}{K}}_q}$

${\stackrel{\‾}{K}}_q=\frac{K_{(q+)}+K_{(q-)}}{2}$

其中，K_(q+)为正向速率输入范围内四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数；K_(q-)为反向速率输入范围内四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪的标度因数；为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪标度因数的平均值。

(10)根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》，利用本发明方法重复Q次(6次以上)测试四轴斜置光纤陀螺组合标度因数，两次测试之间四轴斜置光纤陀螺组合及其辅助设备关机一定时间冷却至室温。四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪标度因数重复性K_qr为：

$K_{qr}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{K}}_q}{\[\frac{1}{Q-1}\underset{j=1}{\overset{Q}{\Σ}}(K_{qj}-\stackrel{\‾}{K})\]}^{\frac{1}{2}}$

其中，Q为重复测试次数；K_qj为四轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴为A_q的陀螺仪在第j次测试所得标度因数。

Claims (3)

1.一种多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，其特征在于，该方法先通过转台试验和相应的数据处理测算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺的敏感轴相对三轴转台外框旋转轴的安装误差E_qZ；当三轴转台外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′时，通过安装误差E_qZ，在标度因数试验和相应的数据处理中可以求得多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺敏感轴上的输入角速率Ω_qi；在外框旋转轴上的输入角速率为ω_i′下，采集多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺在T时间内的累积输出R_qi；最后针对多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列，以R_qi作为陀螺的输出序列，根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》一次性对多轴斜置光纤陀螺组合中所有陀螺的标度因数性能进行测试。

2.根据权利要求1所述的多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，其特征在于，所述转台试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)将多轴斜置光纤陀螺组合安装在三轴转台上，并使得多轴斜置光纤陀螺组合的基体系Z轴与转台外框旋转轴重合；

(2)将基体系Z轴与外框旋转轴重合后，选定转台的角速率为ω，分别以±ω转动转台的外框，转动时间为t，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3...N)的陀螺在t时间内的累积输出，得到正转的累积输出R_qZ+和反转的累积输出R_qZ-；其中，|ω|*t＝360°*Q，Q为正整数，ω单位为(°/s)，T的单位为(s)；下标Z代表基体系Z轴与外框旋转轴重合，下标+表示正转，下标-表示反转，逆时针为正转，顺时针为反转；

(3)调整内框、中框的位置，使基体系的X轴、Y轴分别与外框旋转轴重合，重复步骤2，分别得到基体系X轴与外框旋转轴重合后多轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qX+、R_qX-以及基体系Y轴与外框旋转轴重合后多轴斜置陀螺组合中敏感轴A_q在正转和反转下的累积输出R_qY+、R_qY-；

(4)经过步骤2和步骤3，得到多轴斜置陀螺组合中各只陀螺的累积输出为R_qZ+、R_qZ-、R_qX+、R_qX-和R_qY+、R_qY-；根据安装误差的计算原理可得多轴斜置光纤陀螺组合中敏感轴为A_q(q＝1、2、3...N)的陀螺与外框旋转轴的安装误差E_qZ：

$E_{qZ}=\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\left|\mathrm{\ω}\right|*\sqrt{{\left(\frac{R_{qX+}-R_{qX-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qY+}-R_{qY-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{qZ+}-R_{qZ-}}{2*\mathrm{\ω}}\right)}^2}}$

3.根据权利要求3所述的多轴斜置光纤陀螺组合标度因数性能的测试方法，其特征在于，所述标度因数试验和相应的数据处理具体包括以下步骤：

(1)根据《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中单轴光纤陀螺标度因数测试方法，选取M个速率点ω_i，i＝1，2…M；

(2)根据安装误差E_qZ，在每个速率为ω_i下，求得转台的外框转动时的速率为

(3)将基体系Z轴与外框旋转轴重合，分别以ω_i′(i＝1，2…M)转动转台的外框，转动时间为T，采集敏感轴A_q(q＝1、2、3...N)的陀螺在T时间内的累积输出R_qi，其中，|ω_i′|*T＝360°*Q，Q为正整数，下标i代表对应速率点的编号；

(4)当转台的外框转动的速率为ω_i′时，多轴斜置光纤陀螺组合中陀螺敏感轴A_q上的输入角速率Ω_qi为

Ω_qi＝ω_i′*E_qZ。

(5)对多轴斜置陀螺组合的各只陀螺，以Ω_qi作为敏感轴角速率的输入序列；以步骤3采集得到的R_qi作为陀螺的输出序列；根据文件《GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》计算出多轴斜置光纤陀螺组合中各只陀螺对应的标度因数的非线性度、重复性、不对称性。