CN108593966B - 一种两轴框架摆式加速度计自标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴框架摆式加速度计自标定方法和系统，该方法包括：转动加速度计的两个框架，使加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并获取六个位置处的力矩测量值；根据六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度；根据视加速度、力矩测量值和重力加速度，计算得到标定后的内框架轴摆性和标定后的外框架轴摆性；根据力矩测量值，计算得到常值干扰力矩；将标定后的内、外框架轴摆性、以及常值干扰力矩和反馈到加速度计工作状态时的误差模型中进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量,使加速度的测量更加准确。本发明可有效分离出加速度计的摆性变化和零偏，提高了加速度计的长期稳定性和使用精度。

Description

一种两轴框架摆式加速度计自标定方法和系统

技术领域

本发明属于高精度视加速度测量的航空、航天技术领域，尤其涉及一种两轴框架摆式加速度计自标定方法和系统。

背景技术

摆片式加速度计由检测质量构成单摆，在加速度的作用下绕输出轴作角运动。常见的摆式加速度计包括宝石支承加速度计、液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计等。在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用石英挠性摆式加速度计和摆式积分陀螺加速度计。而这些摆式加速度计的摆片由于仅包含一个方向的角运动自由度，均为单自由度加速度计，即每个加速度计仅能敏感一个方向的视加速度。因此，在惯性平台系统和捷联系统中，需要沿正交的三个方向安装三块加速度计才能实现系统全方向视加速度的测量。

但是，摆式加速度计由于在工作过程和长期贮存中，摆性不能保持恒定不变，引起摆性变化的主要原因有：(1)摆组件吸附浮油引起其质量的变化；(2)温度引起的摆组件形状和浮油密度的变化；(3)摆组件结构材料的蠕变；(4)另外，力矩器或力矩电机的稳定性也直接影响加速度计的工作精度，磁性能的稳定性是影响加速度计长期稳定性的主要因素。

为保持加速度计的使用精度，惯性稳定平台采用框架转动实现重力场中的不同位置，捷联系统增加转动机构来使本体相对地理坐标系转动，二者的核心是在发射前对仪表的误差进行标定。这种方案的优点是可有效分离出加速度计的参数随时间的变化量，但缺点是系统的体积增大，不仅增加了框架和锁定机构，而且降低了系统可靠性。另外，在不增加转动机构时，要求载体做机动运动增加误差系数的可观性，比如，利用导弹发射前的起竖过程来分离误差系数，但由于机动状态有限，分离的误差系数置信度不高。

在高精度光学陀螺捷联惯组实现工程化应用后，单自由度加速度计的长期稳定性逐渐成为制约精度的主要因素。为了解决上述问题，国内外有关于三组合加速度计的报道，其重点是3个加速度计采用相同的磁钢以保证力矩器随时间的变化过程一致，但这种方案的缺点是摆片仍为3个独立的部件，其3个方向的零偏不能保证一致，制约了三组合加速度计的实际应用。

而两框架摆式加速度计采用一个共有的摆，可实现对两个方向的加速度计测量，成为解决加速度计长期稳定性的一个选择方案，但是否能够实现自标定功能从而实现高精度保持能力成为一个研究方向。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种两轴框架摆式加速度计自标定方法和系统，不依赖于基座外部的转动机构，而只利用自有的两个框架通过改变摆相对壳体的位置可有效分离出加速度计的摆性变化和零偏，从而使加速度计的稳定性误差从未知变为已知，提高了加速度计的长期稳定性和使用精度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种两轴框架摆式加速度计自标定方法，包括：

步骤一，在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

其中，i＝1,2,...,6，

表示内框架轴的力矩测量值，

表示外框架轴的力矩测量值；

步骤二，根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z；

步骤三，根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″；

步骤四，根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y；

步骤五，将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y。

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述六个位置，包括：

第一位置：α＝0°、β＝0°；第二位置：α＝0°、β＝180°；第三位置：α＝0°、β＝90°；第四位置：α＝0°、β＝270°；第五位置：α＝90°、β＝90°；第六位置：α＝270°、β＝90°；

其中，α表示外框架相对基座的角度，β表示外框架相对基座的角度。

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述六个位置，六个位置处的力矩测量值分别为：

第一位置的力矩测量值为：

第二位置的力矩测量值为：

第三位置的力矩测量值为：

第四位置的力矩测量值为：

第五位置的力矩测量值为：

第六位置的力矩测量值为：

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z，包括：

通过如下公式求解得到a′_x、a′_y和a′_z：

其中，ml表示两轴框架摆式加速度计摆片的标称摆性。

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″，包括：

定义内框架轴力矩的稳定性误差为

外框架轴力矩的稳定性误差为

摆性的稳定性误差为δ_ml，令：

根据上述式(1)，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′：

根据上述式(2)，计算得到标定后的外框架轴摆性ml″：

将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″代入步骤一至三，直至：

且，

止。

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y，包括：

通过如下公式计算得到常值干扰力矩M_x和M_y：

其中，M_y表示内框架轴的常值干扰力矩，M_x表示外框架轴的常值干扰力矩。

在上述两轴框架摆式加速度计自标定方法中，所述将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y，包括：

通过如下公式计算得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y：

相应的，本发明还公开了一种两轴框架摆式加速度计自标定系统，包括：

获取模块，用于在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

其中，i＝1,2,...,6，

表示内框架轴的力矩测量值，

表示外框架轴的力矩测量值；

求解模块，用于根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z；

第一计算模块，用于根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″；

第二计算模块，用于根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y；

补偿模块，用于将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y。

本发明具有以下优点：

(1)现有的单自由度摆式加速度计随着时间存在摆性变化和稳定性变差的缺点，必须安装于系统后通过外部转位机构来分析稳定性的变化；而本发明采用加速度计自身的框架可实现摆性变化的辨识和标定；

(2)现有的单自由度摆式加速度计的输出数据随着时间而变化，精度难以满足实战化的需求；采用本发明的加速度计通过误差自补偿可实现高精度输出，装于导弹后可实现不拆卸自标定，提高了作战武器的实战化水平；

(3)采用现有的单自由度摆式加速度计的捷联系统在增加转位机构后可靠性会降低，而采用具备本发明的自标定功能的加速度计后有利于保证可靠性要求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计自标定方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的结构示意图；

其中，1-内框架轴角度传感器、2-内框架轴放大器、3-内框架轴控制器组件、4-外框架轴角度传感器、5-外框架轴放大器、6-外框架轴控制器组件、7-摆片、8-内框架轴、9-外框架轴、10-外框架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计自标定方法的步骤流程图。在本实施例中，所述两轴框架摆式加速度计自标定方法，包括：

步骤101，在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

在本实施例中，i＝1,2,...,6，

表示内框架轴的力矩测量值，

表示外框架轴的力矩测量值。

优选的，六个位置具体可以包括：第一位置：α＝0°、β＝0°；第二位置：α＝0°、β＝180°；第三位置：α＝0°、β＝90°；第四位置：α＝0°、β＝270°；第五位置：α＝90°、β＝90°；第六位置：α＝270°、β＝90°；其中，α表示外框架相对基座的角度，β表示外框架相对基座的角度。

相应的，六个位置处的力矩测量值分别为：第一位置的力矩测量值为：

第二位置的力矩测量值为：

第三位置的力矩测量值为：

第四位置的力矩测量值为：

第五位置的力矩测量值为：

第六位置的力矩测量值为：

步骤102，根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z。

在本实施例中，基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z可以通过如下方式求解：

其中，ml表示两轴框架摆式加速度计摆片的标称摆性。

步骤103，根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″。

在本实施例中，可以定义内框架轴力矩的稳定性误差为

外框架轴力矩的稳定性误差为

摆性的稳定性误差为δ_ml，令：

根据上述式(1)，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′：

根据上述式(2)，计算得到标定后的外框架轴摆性ml″：

将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″代入步骤101至103，直至：

且，

止。

步骤104，根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y。

在本实施例中，可以通过如下公式计算得到常值干扰力矩M_x和M_y：

其中，M_y表示内框架轴的常值干扰力矩，M_x表示外框架轴的常值干扰力矩。

步骤105，将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y。

在本实施例中，可以通过如下公式计算得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y：

基于上述实施例，下面结合一个具体实例进行说明。

参照图2，示出了本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的结构示意图。如图2，所述两轴框架摆式加速度计，包括：内框架轴角度传感器1、内框架轴放大器2、内框架轴控制器组件3、外框架轴角度传感器4、外框架轴放大器5、外框架轴控制器组件6和摆片7。其中，摆片7安装在内框架轴8上；内框架轴角度传感器1和内框架轴控制器组件3分别安装在内框架轴8的两个轴端；内框架轴角度传感器1、内框架轴放大器2和内框架轴控制器组件3依次连接；外框架轴角度传感器4和外框架轴控制器组件6分别安装在外框架轴9的两个轴端；外框架轴角度传感器4、外框架轴放大器5和外框架轴控制器组件6依次连接；内框架轴8安装在外框架10上，内框架轴8与外框架轴9相互垂直；外框架轴9与基座相连，基座直接与被测载体连接，用于测量载体加速度。优选的，两框架摆式加速度计的输出方程为：

其中,α表示外框架相对基座的角度，β表示外框架相对基座的角度；a_x、a_y和a_z分别表示仪表沿外框架轴、内框架轴及内外框架轴垂直方向输入的视加速度；ml表示标称摆性；M_y表示内框架轴的常值干扰力矩，M_x表示外框架轴的常值干扰力矩；M_Dx和M_Dy分别表示外框架轴和内框架轴的电机力矩。

考虑到摆式加速度计由于在工作过程和长期贮存中，摆性不能保持恒定不变，引起摆性变化的主要原因有：(1)摆组件吸附浮油引起其质量的变化；(2)温度引起的摆组件形状和浮油密度的变化；(3)摆组件结构材料的蠕变；(4)另外，力矩器或力矩电机的稳定性也直接影响加速度计的工作精度，磁性能的稳定性是影响加速度计长期稳定性的主要因素。

上述因素都会导致陀螺加速度计的测量值发生变化，下面进行误差分析。

在理想状态下，有

由于力矩器系数发生变化，在相同的加速度a情况下，测量的M_D也发生变化，实际测量值为M′_D，有：

其中，

为框架轴力矩的稳定性误差、δ_ml为摆性稳定性误差。

但在实际计算时，仍用：

因此，考虑摆性误差后的加速度计输出方程可写为：

为标定摆性误差和零偏，取以下六个位置并计算其输出值：

(1)α＝0°、β＝0°时，有：

即：

(2)α＝0°、β＝180°时，有

即：

(3)α＝0°、β＝90°时，有：

即：

(4)α＝0°、β＝270°时，有

即：

由以上诸式，有：

同时，可标定出常值误差：

(5)α＝90°、β＝90°时，有：

即：

(6)α＝270°、β＝90°时，有：

即：

由以上两式，可得：

综合后，有：

设静基座条件下，有：

而：

因此，可求得：

及：

由此，得到一个新的摆性：

在实际计算时，采用新的计算公式：

代入加速度分量后，有：

在标定X轴力矩器的摆性变化时，利用：

有：

将计算得到的新的摆性以及常值干扰力矩反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x、a_y，加速度计的误差补偿模型如下：

可见，上述一种两轴框架摆式加速度计自标定方法可以实现两个方向加速度的误差自标定和自补偿，有利于提高加速度计的使用精度和长期稳定性保持能力。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种两轴框架摆式加速度计自标定系统，包括：获取模块，用于在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

求解模块，用于根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z；第一计算模块，用于根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″；第二计算模块，用于根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y；补偿模块，用于将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种两轴框架摆式加速度计自标定方法，其特征在于，包括：

步骤一，在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

其中，i＝1,2,...,6，

表示内框架轴的力矩测量值，

表示外框架轴的力矩测量值；

步骤二，根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z；包括：

通过如下公式求解得到a′_x、a′_y和a′_z：

其中，ml表示两轴框架摆式加速度计摆片的标称摆性；

步骤三，根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″；包括：

定义内框架轴力矩的稳定性误差为

外框架轴力矩的稳定性误差为

摆性的稳定性误差为δ_ml，令：

根据上述式(1)，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′：

根据上述式(2)，计算得到标定后的外框架轴摆性ml″：

将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″代入步骤一至三，直至：

且，

止；

步骤四，根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y；包括：

通过如下公式计算得到常值干扰力矩M_x和M_y：

其中，M_y表示内框架轴的常值干扰力矩，M_x表示外框架轴的常值干扰力矩；

步骤五，将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y；包括：

通过如下公式计算得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y：

其中，所述六个位置，包括：第一位置：α＝0°、β＝0°；第二位置：α＝0°、β＝180°；第三位置：α＝0°、β＝90°；第四位置：α＝0°、β＝270°；第五位置：α＝90°、β＝90°；第六位置：α＝270°、β＝90°；α表示外框架相对基座的角度，β表示内框架相对基座的角度；

六个位置处的力矩测量值分别为：第一位置的力矩测量值为：

第二位置的力矩测量值为：

第三位置的力矩测量值为：

第四位置的力矩测量值为：

第五位置的力矩测量值为：

第六位置的力矩测量值为：

2.一种两轴框架摆式加速度计自标定系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于在静基座条件下，将两轴框架摆式加速度计静置在水平位置，转动加速度计的两个框架，使得加速度计的偏心摆分别处于六个位置，并分别获取六个位置处的力矩测量值

和

其中，i＝1,2,...,6，

表示内框架轴的力矩测量值，

表示外框架轴的力矩测量值；

求解模块，用于根据获取的六个位置处的力矩测量值，求解基座三个正交方向的视加速度a′_x、a′_y和a′_z；包括：

通过如下公式求解得到a′_x、a′_y和a′_z：

其中，ml表示两轴框架摆式加速度计摆片的标称摆性；

第一计算模块，用于根据a′_x、a′_y、a′_z、力矩测量值和重力加速度g，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″；包括：

定义内框架轴力矩的稳定性误差为

外框架轴力矩的稳定性误差为

摆性的稳定性误差为δ_ml，令：

根据上述式(1)，计算得到标定后的内框架轴摆性ml′：

根据上述式(2)，计算得到标定后的外框架轴摆性ml″：

将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′和标定后的外框架轴摆性ml″代入步骤一至三，直至：

且，

止；

第二计算模块，用于根据六个位置处的力矩测量值，计算得到常值干扰力矩M_x和M_y；包括：

通过如下公式计算得到常值干扰力矩M_x和M_y：

其中，M_y表示内框架轴的常值干扰力矩，M_x表示外框架轴的常值干扰力矩；

补偿模块，用于将计算得到的标定后的内框架轴摆性ml′、标定后的外框架轴摆性ml″、以及常值干扰力矩M_x和M_y反馈到加速度计工作状态时的误差模型中，对加速度计的两个测量数据进行补偿计算，得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y；包括：

通过如下公式计算得到基座在X和Y轴向的视加速度分量a_x和a_y：

其中，所述六个位置，包括：第一位置：α＝0°、β＝0°；第二位置：α＝0°、β＝180°；第三位置：α＝0°、β＝90°；第四位置：α＝0°、β＝270°；第五位置：α＝90°、β＝90°；第六位置：α＝270°、β＝90°；α表示外框架相对基座的角度，β表示内框架相对基座的角度；

六个位置处的力矩测量值分别为：第一位置的力矩测量值为：

第二位置的力矩测量值为：

第三位置的力矩测量值为：

第四位置的力矩测量值为：

第五位置的力矩测量值为：

第六位置的力矩测量值为：

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