CN107727116B - 一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、沿补偿轴给力矩器通电施矩，补偿轴上的力矩会在基准轴上产生投影力矩；步骤2、在补偿轴的补偿线路中，将输出点接至调整线圈的一端；当两力矩器轴不垂直度α<90°时，补偿线路输出点接至调整线圈低端；当两力矩器轴不垂直度α>90°时，补偿线路输出点接至调整线圈高端；步骤3、通过调整补偿轴网络电阻的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流与补偿轴调整线圈电流的比值；步骤4、补偿轴力矩器的调整线圈在基准轴上产生补偿力矩，用来补偿投影力矩，保证补偿后的补偿轴与基准轴垂直。本发明提高双自由度陀螺仪精度且不需要提高加工和装配精度。

Description

一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及双自由度陀螺仪，尤其是一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法。

背景技术

在理想情况下，双自由度陀螺仪两力矩器轴X、Y，一个指东，一个指北，二者相互垂直。但由于加工及装配误差的影响，两力矩器轴X_L、Y_L实际上不垂直而是处在X、Y附近，如图1所示，在理想情况下，力矩器轴X_L与坐标轴X重合，力矩器轴Y_L与坐标轴Y重合。同时，两力矩器轴X_L、Y_L垂直。但由于加工及装配误差的影响，力矩器轴X_L实际上处在X轴附近，力矩器轴Y_L实际上处在Y轴附近，两力矩器轴X_L、Y_L不垂直。

当沿X_L轴给力矩器通电加矩时，陀螺会产生绕Y轴的进动。由于X_L、Y_L轴不垂直，施加的力矩在Y_L轴上产生分量，它将引起绕X轴的进动，造成陀螺仪两力矩器轴的交叉耦合影响。同样，当沿Y_L轴给力矩器通电加矩时，也会产生类似的交叉耦合影响。这对于惯性级陀螺仪是不允许的。如果继续提高加工及装配精度，不仅给加工及装配带来困难，而且陀螺仪的成本也将大大提高。为此，寻求一类降低交叉耦合影响，提高陀螺仪精度的补偿方法是很必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，能够降低两力矩器轴交叉耦合影响，从而提高双自由度陀螺仪精度。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

1、一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、沿补偿轴给力矩器通电施矩，补偿轴上的力矩会在基准轴上产生投影力矩；

步骤2、在补偿轴的补偿线路中，将输出点接至调整线圈的一端；

当两力矩器轴不垂直度α<90°时，补偿线路输出点接至调整线圈低端；

当两力矩器轴不垂直度α>90°时，补偿线路输出点接至调整线圈高端；

步骤3、通过调整补偿轴网络电阻的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流与补偿轴调整线圈电流的比值；

步骤4、补偿轴力矩器的调整线圈在基准轴上产生补偿力矩，用来补偿投影力矩，保证补偿后的补偿轴与基准轴垂直。

而且，所述步骤3的补偿轴网络电阻的阻值的经理论推导补偿公式为：

以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴为例：

式中：

R₁、R₂─补偿轴力矩器调整电阻；

α为两力矩器轴不垂直度；

K为补偿轴主线圈与调整线圈匝数比；

R_X为补偿轴力矩器主线圈电阻；

R_XT为补偿轴力矩器调整线圈电阻。

一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、沿X_L轴给力矩器通电施矩，在Y_L轴上产生投影力矩；

步骤2、在X_L轴力矩器补偿线路中，将输出点X_L'端接至调整线圈一端；

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁>0时，补偿线路输出点X_L'端接至低端；

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁<0时，补偿线路输出点X_L'端接至高端；

步骤3、通过调整补偿轴网络电阻的阻值，使X_L轴的调整线圈在Y_L轴上产生补偿力矩，X_L轴力矩器的合成力矩沿X轴方向；

步骤4、根据步骤1至步骤3，调整Y_L轴力矩器的合成力矩M_Y沿Y轴方向；其中：

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂>0时，补偿线路输出点Y_L'端接至调整线圈低端；

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂<0时，补偿线路输出点Y_L'端接至调整线圈高端。

而且，所述步骤3的补偿轴网络电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值，经理论推导补偿公式为：

最大补偿角：

式中：R₁、R₂─X_L轴力矩器调整电阻；R₃、R₄─Y_L轴力矩器调整电阻；R_X、R_Y为力矩器主线圈电阻；R_XT、R_YT为调整线圈电阻；K为主线圈与调整线圈匝数比；R为力矩器输出阻抗；α为两力矩器轴不垂直度；θ₁、θ₂为与东向、北向之间的夹角。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提供两种基于同一发明构思的能够降低两力矩器轴交叉耦合影响的力矩器轴不垂直的补偿方法，从而提高双自由度陀螺仪精度，不需要提高加工和装配精度，且不增加陀螺仪成本。

2、双自由度陀螺仪因加工、装配会造成两力矩器轴不垂直的缺陷，本发明的优点是只需要按照步骤2和步骤3调整外部线路参数，就可以通过补偿来改善该缺陷。

3、本发明的补偿方法一步骤3通过调整一个补偿轴网络电阻的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流与补偿轴调整线圈电流的比值，在基准轴上产生补偿力矩，用来补偿投影力矩，保证补偿后的补偿轴与基准轴垂直；

4、本发明的补偿方法二步骤3通过调整两个补偿轴网络电阻的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流与补偿轴调整线圈电流的比值，在理想轴上产生补偿力矩，用来补偿投影力矩，保证补偿后的补偿轴与理想轴垂直；

5、本发明对导航系统应用而言，方法二能消除陀螺仪安装误差，补偿和初始对准可以一次性完成。

6、本发明补偿方法一和补偿方法二中，步骤3从理论上推导出两力矩器轴不垂直的补偿公式，得到补偿参数；

7、本发明只需要根据初步测试得到的结果，按照步骤3的补偿公式计算得到的线路参数进行外部线路调整，就可以补偿两力矩器轴不垂直的缺陷，不需要提高加工和装配精度，不增加陀螺仪成本。

8、本发明调整步骤3的线路参数，能够显著提高双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿精度：两力矩器轴不垂直度α<0.1°。

附图说明

图1是普通双自由度陀螺仪力矩器轴X_L、Y_L理想与实际分布示意图；

图2是本发明补偿线路结构图；

1L－1H、2L－2H─X_L轴力矩器主线圈低端－高端、调整线圈低端－高端；3L－3H、4L－4H─Y_L轴力矩器主线圈低端－高端、调整线圈低端－高端；X_L'─X_L轴力矩器补偿线路输出点；Y_L'─Y_L轴力矩器补偿线路输出点；R₁、R₂─X_L轴力矩器调整电阻；R₃、R₄─Y_L轴力矩器调整电阻；

方法一中以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴时，只需要调整R₁、R₂的电阻值就可以实现补偿；

方法一中以X_L轴为基准轴，Y_L轴为补偿轴时，只需要调整R₃、R₄的电阻值就可以实现补偿；

方法二中以理想X轴、理想Y轴为基准轴，X_L轴、Y_L轴为补偿轴时，只需要调整R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值就可以实现补偿；

图3是本发明方法一、二中，X_L轴为补偿轴时，补偿线路参数图；

I_X、I_XT─X_L轴力矩器线圈电流、调整线圈电流；

图4是本发明方法一、二中，Y_L轴为补偿轴时，补偿线路参数图；

I_Y、I_YT─Y_L轴力矩器线圈电流、调整线圈电流；

图5是本发明补偿方法一第1/4种情况时的补偿原理图；

两力矩器轴不垂直度α<90°时，以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴进行补偿；

X'轴─补偿后的X_L轴；

Y'轴─补偿后的Y_L轴；

α─两力矩器轴不垂直度(X_L轴与Y_L轴的夹角)；

图6是本发明补偿方法一第2/4种情况时的补偿原理图；

两力矩器轴不垂直度α>90°时，以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴进行补偿；

图7是本发明补偿方法二的补偿原理图。

θ₁─X_L轴与理想X轴(东向)之间的夹角；

θ₂─Y_L轴与理想Y轴(北向)之间的夹角；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

(1)补偿方法一：

一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，如图2所示，以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴为例，包括以下步骤：

步骤1、沿补偿轴X_L轴给力矩器通电施矩M_XL，补偿轴上的力矩M_XL会在基准轴Y_L轴上产生投影力矩M_XL'；

步骤2、如图3所示，在补偿轴的补偿线路中，将补偿线路输出点X_L'端接至补偿轴调整线圈(2L－2H)的一端；

当两力矩器轴不垂直度α<90°时，补偿线路输出点X_L'端接至低端2L，如图3中实线所示；

当两力矩器轴不垂直度α>90°时，补偿线路输出点X_L'端接至高端2H，如图3中虚线所示；

步骤3、如图3所示，通过调整补偿轴网络电阻R₁、R₂的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流I_X与补偿轴调整线圈电流I_XT的比值；

在本实施例中，所述步骤3的补偿轴网络电阻R₁、R₂的阻值的经理论推导补偿公式为：

式中：R₁、R₂─X_L轴力矩器调整电阻；α为两力矩器轴不垂直度；K为主线圈与调整线圈匝数比；R_X为力矩器主线圈电阻；R_XT为力矩器调整线圈电阻。

采用上述补偿公式，对双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直度调整能达到<0.1°，精细调整还可以更小。

步骤4、补偿轴X_L轴力矩器的调整线圈在基准轴上产生补偿力矩M_XT，用来补偿投影力矩M_XL'，保证补偿后的补偿轴X'与基准轴Y_L垂直。

当两力矩器轴不垂直度α<90°时，补偿原理如图5所示；

当两力矩器轴不垂直度α>90°时，补偿原理如图6所示。

上述补偿方法一的工作原理是：根据基准轴的不同和两力矩器轴不垂直度α是否大于90°共分为四种情况：

1)当两力矩器轴不垂直度α<90°时，以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴，补偿原理如图5所示，补偿方法如图3中实线所示；

2)当两力矩器轴不垂直度α>90°时，以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴，补偿原理如图6所示，补偿方法如图3中虚线所示；

3)当两力矩器轴不垂直度α<90°时，以X_L轴为基准轴，Y_L轴为补偿轴，补偿原理未图示，补偿方法如图4中实线所示；

4)当两力矩器轴不垂直度α>90°时，以X_L轴为基准轴，Y_L轴为补偿轴，补偿原理未图示，补偿方法如图4中虚线所示。

四种情况的补偿原理是相同的，都是利用自身轴附加的调整线圈通过网络参数来改变自身轴的方向与另一轴垂直。

补偿方法一以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴；(也可以以X_L轴为基准轴，Y_L轴为补偿轴，补偿方法如图4所示)为例，使补偿轴与基准轴垂直。

(2)补偿方法二：

一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、沿X_L轴给力矩器通电施矩M_XL，在Y_L轴上产生投影力矩M_XL'；

步骤2、在X_L轴力矩器补偿线路中，将图3中的X_L轴力矩器补偿线路输出点X_L'端接至X_L轴调整线圈(2L－2H)的一端。

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁>0时，补偿线路输出点X_L'端接至低端2L，如图3中实线所示；

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁<0时，补偿线路输出点X_L'端接至高端2H，如图3中虚线所示；

步骤3、通过调整补偿轴网络电阻R₁、R₂的阻值，使X_L轴的调整线圈在Y_L轴上产生补偿力矩M_XT，X_L轴力矩器的合成力矩M_X沿X轴方向；

步骤4、根据步骤1至步骤3，调整Y_L轴力矩器的合成力矩M_Y沿Y轴方向；

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂>0时，Y_L'端接至低端4L，如图4中实线所示；

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂<0时，Y_L'端接至高端4H，如图4中虚线所示。

在本实施例中，所述步骤3和步骤4的补偿轴网络电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值的经理论推导补偿公式为：

最大补偿角：

式中：R₁、R₂─X_L轴力矩器调整电阻；R₃、R₄─Y_L轴力矩器调整电阻；

R_X、R_Y为力矩器主线圈电阻；R_XT、R_YT为调整线圈电阻；K为主线圈与调整线圈匝数比；R为力矩器输出阻抗；α为两力矩器轴不垂直度；θ₁、θ₂为与东向、北向之间的夹角。

完成以上步骤，使X_L轴与X轴重合、Y_L轴与Y轴重合，对双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直度调整能达到<0.1°，精细调整还可以更小。

补偿方法二的工作原理是：以X轴(东向)、Y轴(北向)为基准，补偿X_L轴、Y_L轴，使X_L轴与X轴重合、Y_L轴与Y轴重合。力矩器X_L、Y_L轴与X、Y轴夹角有四种组合，分别为：1)θ₁>0,θ₂>0；2)θ₁>0,θ₂<0；3)θ₁<0,θ₂>0；4)θ₁<0,θ₂<0。当θ₁>0,θ₂>0时，补偿原理如图7所示。

两种补偿方法中，给力矩器通电流时，大部分电流通过主线圈，小部分电流通过调整线圈。通过调整网络电阻R₁、R₂或R₃、R₄来改变力矩器线圈、调整线圈电流I_X、I_XT或I_Y、I_YT的比值，从而改变α值的大小，使两力矩器轴垂直。利用这一方法可以限制α值在一定的范围内，降低陀螺仪两力矩器轴的交叉耦合影响，使陀螺仪具有互换性。

本发明工作原理是：

本发明提供了两种基于同一发明构思的力矩器轴不垂直的外部补偿方法：

1、以其中任意一个力矩器轴为基准轴，补偿另一个力矩器轴与之垂直；

2、依次补偿两个力矩器轴，分别与理想轴重合。

补偿方法一和补偿方法二的工作原理是相似的，都是利用自身轴附加的调整线圈和调整电阻，通过改变网络参数来改变自身轴的方向与基准轴垂直。其中，补偿方法一只需要调整一个力矩器轴的方向与另一轴垂直；补偿方法二以理想轴为基准，依次补偿两个力矩器轴，分别与理想轴重合。

对陀螺仪性能测试而言，两者均适合，且补偿方法一更简捷些。对导航系统应用而言，补偿方法一不能消除陀螺仪安装误差，补偿后需重新进行初始对准，而补偿方法二能消除陀螺仪安装误差，补偿和初始对准一次性完成，但补偿工作需要在导航系统调试中进行。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、沿补偿轴给力矩器通电施矩，补偿轴上的力矩会在基准轴上产生投影力矩；

步骤2、在补偿轴的补偿线路中，将输出点接至调整线圈的一端；

当两力矩器轴不垂直度α<90°时，补偿线路输出点接至调整线圈低端；

当两力矩器轴不垂直度α>90°时，补偿线路输出点接至调整线圈高端；

步骤3、通过调整补偿轴网络电阻的阻值，改变补偿轴力矩器线圈电流与补偿轴调整线圈电流的比值；

步骤4、补偿轴力矩器的调整线圈在基准轴上产生补偿力矩，用来补偿投影力矩，保证补偿后的补偿轴与基准轴垂直；

所述步骤3的补偿轴网络电阻的阻值的经理论推导补偿公式为：

以Y_L轴为基准轴，X_L轴为补偿轴为例：

式中：

R₁、R₂─补偿轴力矩器调整电阻；α为两力矩器轴不垂直度；K为补偿轴主线圈与调整线圈匝数比；R_X为补偿轴力矩器主线圈电阻；R_XT为补偿轴力矩器调整线圈电阻；R为力矩器输出阻抗。

2.一种双自由度陀螺仪力矩器轴不垂直的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、沿X_L轴给力矩器通电施矩，在Y_L轴上产生投影力矩；

步骤2、在X_L轴力矩器补偿线路中，将输出点X_L'端接至调整线圈一端；

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁>0时，补偿线路输出点X_L'端接至低端；

当力矩器X_L轴与X轴夹角θ₁<0时，补偿线路输出点X_L'端接至高端；

步骤3、通过调整补偿轴网络电阻的阻值，使X_L轴的调整线圈在Y_L轴上产生补偿力矩，X_L轴力矩器的合成力矩沿X轴方向；

步骤4、根据步骤1至步骤3，调整Y_L轴力矩器的合成力矩M_Y沿Y轴方向；其中：

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂>0时，补偿线路输出点Y_L'端接至调整线圈低端；

当力矩器Y_L轴与Y轴夹角θ₂<0时，补偿线路输出点Y_L'端接至调整线圈高端；

所述步骤3的补偿轴网络电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值，经理论推导补偿公式为：

最大补偿角：

式中：R₁、R₂─X_L轴力矩器调整电阻；R₃、R₄─Y_L轴力矩器调整电阻；R_X、R_Y为力矩器主线圈电阻；R_XT、R_YT为调整线圈电阻；K为主线圈与调整线圈匝数比；R为力矩器输出阻抗；α为两力矩器轴不垂直度；θ₁、θ₂为与东向、北向之间的夹角。

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