CN107014400B - 无人机惯性导航单元的自动校准装置及校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人机惯性导航单元的自动校准装置及校准方法，涉及无人机的技术领域，尤其涉及无人机的惯性导航单元校准装置的技术领域。本发明包括与计算机软件上位机通信的编码器，编码器的输出端与步进电机相连；所述步进电机通过弹性联轴节与蜗杆连接；所述蜗杆旋转控制带动涡轮旋转；所述涡轮上方搭建旋转平台；所示旋转平台内嵌固定夹具；计算机软件上位机通过通信适配器将校准系数传输至惯性导航单元的存储器中。本发明实现了结构简单，操作方便，降低校准过程中的误差，排除人为手动校准中各方面因素的干扰，简化了操作过程的目的。

Description

无人机惯性导航单元的自动校准装置及校准方法
技术领域
本发明涉及无人机的技术领域，尤其涉及无人机的惯性导航单元校准装置的技术领域。
背景技术
在惯性导航系统中通常会使用到陀螺仪和加速度计。陀螺仪是惯性导航系统中常用的，主要用于测量角速度；加速度计是惯性导航系统中的另外一个重要成员，主要用于测定与重力加速度方向。传统人为手动校准步骤繁琐误差较大还需经过复杂函数运算，耗时耗力。
发明内容
本发明目的是提供一种结构简单，操作方便，降低校准过程中的误差，排除人为手动校准中各方面因素的干扰，简化了操作过程的无人机惯性导航单元的自动校准装置及校准方法。
一种无人机惯性导航单元的自动校准装置，包括与计算机软件上位机通信的编码器，编码器的输出端与步进电机相连；所述步进电机通过弹性联轴节与蜗杆连接；所述蜗杆旋转控制带动涡轮旋转；所述涡轮上方搭建旋转平台；所示旋转平台内嵌固定夹具；计算机软件上位机通过通信适配器将校准系数传输至惯性导航单元的存储器中。
基于本发明的无人机惯性导航单元自动校准装置的校准方法，包括以下步骤：
步骤1：计算机软件上位机校准界面选择加速度校准，将惯性导航单元按其加速度计X测量轴方向与重力方向重合压入夹具，此时的加速度计输出为V1，静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx1；再将传感器倒转180°压入夹具，此时的加速度计输出为V2，再静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx2；求得加速度计X轴的加速度计比例因子Kx和加速度计零偏常值分量ax：
上述公式(1)、公式(2)中，Vx1为加速度计X轴第一次输出200次的平均值，Vx2为加速度计X轴第二次输出200次的平均值,g为重力加速度，Kx为加速度计比例因子，ax为加速度计零偏常值分量；
同理可求得加速度计Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤2：计算机软件上位机校准界面选择陀螺仪校准，将惯性导航单元摆放按其陀螺仪X轴方向压入夹具中，静止状态下取陀螺仪400次输出值rate1、rate2、rate3、…rate400，上位机控制转台旋转360°，于开始位置记录下时间为t1，此时陀螺仪输出值为rate(t1)，旋转360°之后记下时间为t2，陀螺仪在t1到t2之间输出为rate(t)，自动求得X轴方向的陀螺仪比例因子Rx和陀螺仪零偏常值分量bx；
上述公式(3)、公式(4)中π为圆周率，t1为开始位置记录下的时间，t2为旋转360°之后记录下的时间，rate(t)为陀螺仪在t1到t2之间随时间变化的输出值，rate(t1)为陀螺仪在t1时刻的输出值，Rx为陀螺仪X轴的陀螺仪比例因子，bx为陀螺仪X轴的陀螺仪零偏常值分量；
同理可求得陀螺仪Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤3：计算机软件上位机一键发送校准系数至惯性导航单元的存储器中；
步骤4：重复步骤1，观察上位机数据显示界面加速度数据是否为+-9.79，误差在+-0.1以内；若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤1校准；
步骤5：重复步骤2，观察上位机图形显示界面的三维数据是否是360°，若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤2校准；
步骤6：整个校准结束。
本发明的步进电机和蜗杆通过高品质弹性联轴节连接，传动同步，大大降低了偏心扰动且噪音小。
本发明的蜗轮蜗杆联动结构精密，运动舒适，可以任意正向和反向旋转且空回极小，可调整长期使用造成的空回间隙。
本发明的蜗轮上方水平搭建旋转平台，旋台的中心与旋转中心有严格的同轴度要求。
本发明的转台外圈加装刻度圈，方便初始定位和读数。
本发明的固定夹具通过不同的排放方式满足六个面惯性导航单元长宽高度，使得惯性导航单元的XYZ轴都可以无缝内嵌固定在夹具内。
本发明的通信适配器包括串口，CAN等通信方式。
本发明的校准上位机可设定所需旋转角度，显示界面包括惯性导航单元加速度计、陀螺仪、角度数据信息，并且有图形显示界面，画出各类数据的实时波形曲线图，校准界面可选择加速度或者陀螺仪校准，并且显示所有得到校准系数。
本发明的校准上位机可通过选择校准加速度计或者陀螺仪，完成对加速度计、陀螺仪XYZ轴的零偏常值分量以及比例因子的校准。
本发明旨在有效的降低校准过程中的误差，排除人为手动校准中各方面因素的干扰，简化了操作过程。夹具可以精确无缝固定惯性导航单元的各个面，非常方便惯性导航单元的拆装；惯性导航单元通过通信适配器直接与上位机通信，减少冗余线路。结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明自动校准装置的结构框图。
图2为本发明自动校准装置整体结构示意图。
图3为本发明自动校准方法的操作流程示意图
图4为本发明中加速度校准后，将传感器在X轴方向正反分别水平放置，校准上位机显示加速度实时数据。
图5为本发明中陀螺仪校准后，将传感器X轴通过旋转转台分别旋转90°、180°、270°、360°，通过观察上位机实时显示的X陀螺仪数据波形图。
其中：1、计算机软件上位机；2、惯性导航单元；3、通信适配器；4、编码器；5、步进电机；6、蜗杆；7、内置涡轮；8、刻度圈；9、惯性导航单元夹具；10、RS232转USB；11、编码器显示屏。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述：
如图1
一种无人机惯性导航单元的自动校准装置，包括与计算机软件上位机1通信的编码器4，编码器4的输出端与步进电机5相连；所述步进电机5通过弹性联轴节与蜗杆6连接；所述蜗杆6旋转控制带动涡轮7旋转；所述涡轮7上方搭建旋转平台；所示旋转平台内嵌固定夹具9；计算机软件上位机1通过通信适配器3将校准系数传输至惯性导航单元2的存储器中。
计算机软件上位机1设置位移量，通过编码器2发送信号给步进电机5带动旋转平台旋转相应角度。
涡轮7与旋转平台同轴设置。
旋转平台外圈加装用于初始定位和读数的刻度圈8。
基于本发明的无人机惯性导航单元自动校准装置的校准方法，包括以下步骤：
步骤1：计算机软件上位机校准界面选择加速度校准，将惯性导航单元按其加速度计X测量轴方向与重力方向重合压入夹具，此时的加速度计输出为V1，静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx1；再将传感器倒转180°压入夹具，此时的加速度计输出为V2，再静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx2；求得加速度计X轴的加速度计比例因子Kx和加速度计零偏常值分量ax：
上述公式(1)、公式(2)中，Vx1为加速度计X轴第一次输出200次的平均值，Vx2为加速度计X轴第二次输出200次的平均值,g为重力加速度，Kx为加速度计比例因子，ax为加速度计零偏常值分量；
同理可求得加速度计Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤2：计算机软件上位机校准界面选择陀螺仪校准，将惯性导航单元摆放按其陀螺仪X轴方向压入夹具中，静止状态下取陀螺仪400次输出值rate1、rate2、rate3、…rate400，上位机控制转台旋转旋转360°，于开始位置记录下时间为t1，此时陀螺仪输出值为rate(t1)，旋转360°之后记下时间为t2，陀螺仪在t1到t2之间输出为rate(t)，自动求得X轴方向的陀螺仪比例因子Rx和陀螺仪零偏常值分量bx；
上述公式(3)、公式(4)中π为圆周率，t1为开始位置记录下的时间，t2为旋转360°之后记录下的时间，rate(t)为陀螺仪在t1到t2之间随时间变化的输出值，rate(t1)为陀螺仪在t1时刻的输出值，Rx为陀螺仪X轴的陀螺仪比例因子，bx为陀螺仪X轴的陀螺仪零偏常值分量；
同理可求得陀螺仪Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤3：计算机软件上位机一键发送校准系数至惯性导航单元的存储器中；
步骤4：重复步骤1，观察上位机数据显示界面加速度数据是否为+-9.79，误差在+-0.1以内；若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤1校准；
步骤5：重复步骤2，观察上位机图形显示界面的三维数据是否是360°，若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤2校准；
步骤6：整个校准结束。

Claims (3)

1.一种无人机惯性导航单元的自动校准装置，其特征在于：包括与计算机软件上位机(1)通信的编码器(4)，编码器(4)的输出端与步进电机(5)相连；所述步进电机(5)通过弹性联轴节与蜗杆(6)连接；所述蜗杆(6)旋转控制带动涡轮(7)旋转；所述涡轮(7)上方搭建旋转平台；所示旋转平台内嵌固定夹具(9)；计算机软件上位机(1)通过通信适配器(3)将校准系数传输至惯性导航单元(2)的存储器中；
所述计算机软件上位机(1)设置位移量，通过编码器(4)发送信号给步进电机(5)带动旋转平台旋转相应角度；
所述无人机惯性导航单元自动校准装置的校准方法，包括以下步骤：
步骤1：计算机软件上位机校准界面选择加速度校准，将惯性导航单元按其加速度计X测量轴方向与重力方向重合压入夹具，此时的加速度计输出为V1，静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx1；再将传感器倒转180°压入夹具，此时的加速度计输出为V2，再静置一段时间取200次加速度计输出值，求得平均值为Vx2；求得加速度计X轴的加速度计比例因子Kx和加速度计零偏常值分量ax：
上述公式(1)、公式(2)中，Vx1为加速度计X轴第一次输出200次的平均值，Vx2为加速度计X轴第二次输出200次的平均值,g为重力加速度，Kx为加速度计比例因子，ax为加速度计零偏常值分量；
同理可求得加速度计Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤2：计算机软件上位机校准界面选择陀螺仪校准，将惯性导航单元摆放按其陀螺仪X轴方向压入夹具中，静止状态下取陀螺仪400次输出值rate1、rate2、rate3、…rate400，上位机控制转台旋转360°，于开始位置记录下时间为t1，此时陀螺仪输出值为rate(t1)，旋转360°之后记下时间为t2，陀螺仪在t1到t2之间输出为rate(t)，自动求得X轴方向的陀螺仪比例因子Rx和陀螺仪零偏常值分量bx；
上述公式(3)、公式(4)中π为圆周率，t1为开始位置记录下的时间，t2为旋转360°之后记录下的时间，rate(t)为陀螺仪在t1到t2之间随时间变化的输出值，rate(t1)为陀螺仪在t1时刻的输出值，Rx为陀螺仪X轴的陀螺仪比例因子，bx为陀螺仪X轴的陀螺仪零偏常值分量；
同理可求得陀螺仪Y轴、Z轴的比例因子和零偏常值分量；
步骤3：计算机软件上位机一键发送校准系数至惯性导航单元的存储器中；
步骤4：重复步骤1，观察上位机数据显示界面加速度数据是否为+-9.79，误差在+-0.1以内；若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤1校准；
步骤5：重复步骤2，观察上位机图形显示界面的三维数据是否是360°，若是，则进行下一步，若不是，则重复步骤2校准；
步骤6：整个校准结束。
2.根据权利要求1所述的无人机惯性导航单元的自动校准装置，其特征在于：所述涡轮(7)与旋转平台同轴设置。
3.根据权利要求1所述的无人机惯性导航单元的自动校准装置，其特征在于：所述旋转平台外圈加装用于初始定位和读数的刻度圈(8)。
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