CN109163736A - 一种光纤imu全温标定补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤IMU全温标定补偿方法，先完成光纤IMU的常温标定补偿，然后采用加计六位置变温补偿方法进行加计的零偏和刻度系数温度补偿；然后采用陀螺六位置定温度点补偿方法进行陀螺的零偏补偿，最终完成光纤IMU的全温标定补偿。本发明能够采用低精度的标定设备完成光纤IMU的高精度全温标定补偿，减少了试验设备成本，提高了补偿精度，为制导控制系统的低成本、高精度提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量和导航技术领域，具体涉及一种光纤IMU全温标定补偿方法。
背景技术
随着武器系统对快速性、打击精度、低成本等方面需求的升级，导航控制系统对光纤IMU的全温标定补偿精度的要求越来越高。
针对光纤IMU的全温标定补偿，以往设计都是采用带温箱转台、带北向基准的水平静基座高低温箱等高性能的标定设备进行标定补偿。这种设计对标定试验设备的性能要求较高，无法满足低成本标定的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种光纤IMU全温标定补偿方法，为导航控制系统的低成本、高精度的标定补偿需求提供解决方案。
本发明采用以下技术方案：
一种光纤IMU全温标定补偿方法，先完成光纤IMU的常温标定补偿，然后采用加计六位置变温补偿方法进行加计的零偏和刻度系数温度补偿；然后采用陀螺六位置定温度点补偿方法进行陀螺的零偏补偿，最终完成光纤IMU的全温标定补偿。
具体的，采用加计六位置变温补偿方法实现加计的零偏和刻度系数温度补偿，具体标定步骤如下：
S201、采集温度标定数据；
S202、采用分段直线方法或者曲线拟合方法对扣除基准输入后的加计温补数据进行拟合，得到温补数据拟合函数AK0(Ti)；
S203、根据指天、指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值AoP1g(Ti)和AoN1g(Ti)，指天、指地时计算出的基准输入值AinP1g和AinN1g，对加计零偏和刻度系数进行温度补偿。
进一步的，步骤S201的步骤具体如下：
S2011、产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
S2012、设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定；
S2013、设置温箱由低温缓慢升温至IMU工作最高温度，同时开始采集IMU常温补偿后数据；
S2014、等待温箱温度升至最高温度后，保温，直至IMU内部温度稳定，停止数据采集；
S2015、打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复步骤S2012～S2014，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
S2016、完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
进一步的，步骤S202中，针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地共6组常温补偿后数据，求取常温输出时的均值作为基准输入Ain1g，扣除基准输入Ain1g后，得到温补数据，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对加计温补数据进行拟合，得到温补数据拟合函数AK0(Ti)。
进一步的，步骤S203中，补偿后的加速度值Ain计算如下：
其中，A0(Ti)为Ti温度时加计零偏的变化值；K(Ti)为Ti温度时刻度系数的变化比例值，Aout(Ti)为Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出。
更进一步的，Ti温度时加计零偏的变化值A0(Ti)计算如下：
Ti温度时刻度系数的变化比例值K(Ti)计算如下：
其中，AoP1g(Ti)为指天时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AoN1g(Ti)为指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AinP1g为指天时计算出的基准输入值，AinN1g为指地时计算出的基准输入值。
具体的，采用陀螺六位置定温度点补偿方法实现陀螺的零偏补偿，具体标定步骤如下：
S301、采集温度标定数据；
S302、分别求取各轴在指天、指地时输出的均值作为由温度变化带来的陀螺零偏，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏进行数据拟合，得到拟合函数W0(Ti)；
S303、根据陀螺全温零偏拟合函数W0(Ti)对陀螺输出进行温度补偿。
进一步的，步骤S301包括以下步骤：
S3011、产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
S3012、设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定，温度稳定后开始采集IMU常温补偿后数据，采集时间5～10min；
S3013、设置温箱温度为另外一温度点，重复步骤S3012，采集相应数据，如此重复，直至在IMU工作温度范围内均匀采集5～12组数据；
S3014、打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复步骤S3012～S3013，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
S3015、完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
进一步的，步骤S302中，针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地多组常温补偿后数据，分别求取各轴在指天、指地时输出的均值作为由温度变化带来的陀螺零偏，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏进行拟合，得到温补数据拟合函数W0(Ti)。
进一步的，步骤S303中，补偿后的角速率值Win计算如下：
Win＝Wout(Ti)-W0(Ti)
其中，Wout(Ti)为Ti温度时陀螺仪传感器经过常温标定补偿后的输出，W0(Ti)为Ti温度时陀螺零偏值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明无需采用传统的带温箱转台、带北向基准的水平静基座高低温箱，只需采用普通三轴转台以及性能较低的静基座高低温箱即可实现高精度的光纤IMU全温标定补偿，大大减少了光纤IMU全温标定补偿的试验成本，全温标定补偿精度也较高，能够满足大部分低成本武器系统对光纤IMU的精度需求。
进一步的，采用加计六位置变温补偿方法实现加计的零偏和刻度系数温度补偿。为了采用低精度标定设备实现加速度计的高精度全温补偿，采用加计六位置变温补偿方法，分别采集三轴指天、指地时的全温数据，同时进行零偏和刻度系数温度补偿，进而实现加计的高精度温度补偿。
进一步的，为了获得不同输入激励下的加计全温输出，采集三轴指天、指地时的全温标定数据。由于低精度温箱在升温过程中，箱体有可能会存在水平位置变形，这会对水平加计的输出产生影响，进而对水平加计的零偏补偿产生影响，而水平位置变形相对来说对垂直轴的加计输出几乎没有任何影响，因此采集指天、指地的全温数据就避免了低精度温箱变形对加计零偏补偿的影响。
进一步的，为了获取全温下加计零偏相对于常温下加计零偏的变化值，并且能够实现加计的全温任意温度点的补偿，设置数据拟合步骤，首先求取常温输出时的均值作为基准输入Ain，扣除基准输入Ain后，得到温补数据即全温下加计零偏变化和刻度系数变化造成的综合误差，然后采用分段直线方法或者曲线拟合方法对加计温补数据进行拟合，得到全温任意温度点温补数据拟合函数AK0(Ti)。
进一步的，由于光纤陀螺对温度变化比较敏感，不能采用变温补偿方法，因此采用定温度点补偿方法，同时由于低精度温箱无法直接测量各温度点陀螺零偏，因此设计六位置标定方法计算陀螺零偏，从而最终通过陀螺六位置定温度点标定补偿方法实现陀螺的零偏补偿。
进一步的，采集温度标定数据。由于低精度温箱没有北向基准，并且不是很水平，无法直接测量陀螺零偏，因此设计陀螺六位置定温度点标定补偿方法，这就需要采集各温度点六个位置的陀螺数据。
进一步的，进行数据拟合。将每轴的指天、指地数据取均值作为该轴向该温度点的陀螺零偏，这就解决了无水平面和北向基准时的陀螺零偏计算问题。同时，为了能够实现陀螺的全温任意温度点的零偏补偿，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏数据进行拟合，得到全温任意温度点零偏拟合函数W0(Ti)。
进一步的，采用全温任意温度点零偏拟合函数W0(Ti)对陀螺输出进行零偏补偿。
综上所述，本发明能够采用低精度的标定设备完成光纤IMU的高精度全温标定补偿，减少了试验设备成本，提高了补偿精度，为制导控制系统的低成本、高精度提供了解决方案。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明补偿方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种光纤IMU全温标定补偿方法，包含定温标定补偿、加计零偏和刻度系数温度补偿以及陀螺零偏温度补偿，一方面可以保证光纤IMU的标定补偿精度较高，满足导航控制系统的精度需求，另一方面可以保证在无法满足高性能标定环境条件下，采用低成本的低性能标定设备完成全温标定补偿。具体步骤如下：
S1、定温标定补偿
采用传统多位置法实现加计的定温标定补偿；采用传统角位置法实现陀螺的刻度系数标定补偿；采用传统多位置法实现陀螺的零偏标定补偿。
S2、加计零偏和刻度系数温度补偿
采用加计六位置变温补偿方法实现加计的零偏和刻度系数温度补偿，具体标定步骤如下：
S201、温度标定数据采集
A)产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
B)设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定；
C)设置温箱由低温缓慢升温至IMU工作最高温度，同时开始采集IMU常温补偿后数据；
D)等待温箱温度升至最高温度后，保温，直至IMU内部温度稳定，停止数据采集；
E)打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复B)到D)步骤，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
F)与E)类似，完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
S202、温补数据拟合
针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地共6组常温补偿后数据，求取常温时的均值作为基准输入Ain1g，扣除基准输入Ain1g后，得到温补数据。
采用分段直线方法或者曲线拟合方法对加计温补数据进行数据拟合，得到温补数据拟合函数AK0(Ti)。
S203、加计数据补偿
采用如下方法，对加计零偏和刻度系数进行温度补偿。
根据指天、指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值AoP1g(Ti)和AoN1g(Ti)，指天、指地时计算出的基准输入值AinP1g和AinN1g，对加计零偏和刻度系数进行温度补偿。
加速度计全温输出模型表达式为：
Aout(Ti)＝Ain+K(Ti)·Ain+A0(Ti) (1)
其中，Aout(Ti)为Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出，Ain为理论的加速度值，K(Ti)为Ti温度时刻度系数的变化比例值，A0(Ti)为Ti温度时加计零偏的变化值。
因此，X指天时有
AoutP1g(Ti)＝AinP1g+K(Ti)·AinP1g+A0(Ti) (2)
其中，AoutP1g(Ti)为指天时Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出，AinP1g为指天时的基准输入值，扣除AinP1g并拟合数据后有
AoP1g(Ti)＝K(Ti)·AinP1g+A0(Ti) (3)
其中，AoP1g(Ti)为指天时拟合出的Ti温度时的温补数据值。
类似的，X指地时有，
AoutN1g(Ti)＝AinN1g+K(Ti)·AinN1g+A0(Ti) (4)
其中，AoutN1g(Ti)为指地时Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出，AinN1g为指地时的基准输入值。扣除AinN1g并拟合数据后有
AoN1g(Ti)＝K(Ti)·AinN1g+A0(Ti) (5)
其中，AoN1g(Ti)为指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值。
针对式(3)和式(5)，直接解方程可得K(Ti)和A0(Ti)的精确表达式如下所示：
结合式(1)，可得知，加速度计全温补偿输出为：
其中，Ain为补偿后的加速度值，Aout(Ti)为Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出，A0(Ti)为Ti温度时加计零偏的变化值，K(Ti)为Ti温度时刻度系数的变化比例值，AoP1g(Ti)为指天时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AoN1g(Ti)为指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AinP1g为指天时计算出的基准输入值，AinN1g为指地时计算出的基准输入值。
S3、陀螺零偏温度补偿
采用陀螺六位置定温度点补偿方法实现陀螺的零偏补偿，具体标定步骤如下：
S301、温度标定数据采集
A)产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
B)设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定，温度稳定后开始采集IMU常温补偿后数据，采集时间5～10min；
C)设置温箱温度为另外一温度点，重复B)步骤，采集相应数据，如此重复，直至在IMU工作温度范围内均匀采集5～12组数据；
D)打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复B)到C)步骤，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
E)与D)类似，完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
S302、温补数据拟合
针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地多组常温补偿后数据，求取均值作为由温度变化带来的陀螺零偏W0。
采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏进行数据拟合，得到W0(Ti)。
S303、陀螺数据补偿
采用如下方法，对陀螺零偏进行温度补偿。
Win＝Wout(Ti)-W0(Ti) (9)
其中，Win为补偿后的角速率值，Wout(Ti)为Ti温度时陀螺仪传感器经过常温标定补偿后的输出，W0(Ti)为Ti温度时陀螺零偏的变化值。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以某次光纤IMU标定数据为例，分析如下：
表1为某批次光纤IMU补偿前和补偿后的指标对比：
从上述数据可看出，本发明方法全温补偿精度较高，可满足大部分中低精度光纤IMU的精度需求。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，先完成光纤IMU的常温标定补偿，然后采用加计六位置变温补偿方法进行加计的零偏和刻度系数温度补偿；然后采用陀螺六位置定温度点补偿方法进行陀螺的零偏补偿，最终完成光纤IMU的全温标定补偿。
2.根据权利要求1所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，采用加计六位置变温补偿方法实现加计的零偏和刻度系数温度补偿，具体标定步骤如下：
S201、采集温度标定数据；
S202、采用分段直线方法或者曲线拟合方法对扣除基准输入后的加计温补数据进行拟合，得到温补数据拟合函数AK0(Ti)；
S203、根据指天、指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值AoP1g(Ti)和AoN1g(Ti)，指天、指地时计算出的基准输入值AinP1g和AinN1g，对加计零偏和刻度系数进行温度补偿。
3.根据权利要求2所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S201的步骤具体如下：
S2011、产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
S2012、设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定；
S2013、设置温箱由低温缓慢升温至IMU工作最高温度，同时开始采集IMU常温补偿后数据；
S2014、等待温箱温度升至最高温度后，保温，直至IMU内部温度稳定，停止数据采集；
S2015、打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复步骤S2012～S2014，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
S2016、完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
4.根据权利要求2所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S202中，针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地共6组常温补偿后数据，求取常温输出时的均值作为基准输入Ain1g，扣除基准输入Ain1g后，得到温补数据，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对加计温补数据进行拟合，得到温补数据拟合函数AK0(Ti)。
5.根据权利要求2所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S203中，补偿后的加速度值Ain计算如下：
其中，A0(Ti)为Ti温度时加计零偏的变化值；K(Ti)为Ti温度时刻度系数的变化比例值，Aout(Ti)为Ti温度时加计传感器经过常温标定补偿后的输出。
6.根据权利要求5所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，Ti温度时加计零偏的变化值A0(Ti)计算如下：
Ti温度时刻度系数的变化比例值K(Ti)计算如下：
其中，AoP1g(Ti)为指天时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AoN1g(Ti)为指地时拟合出的Ti温度时的温补数据值，AinP1g为指天时计算出的基准输入值，AinN1g为指地时计算出的基准输入值。
7.根据权利要求1所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，采用陀螺六位置定温度点补偿方法实现陀螺的零偏补偿，具体标定步骤如下：
S301、采集温度标定数据；
S302、分别求取各轴在指天、指地时输出的均值作为由温度变化带来的陀螺零偏，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏进行数据拟合，得到拟合函数W0(Ti)；
S303、根据陀螺全温零偏拟合函数W0(Ti)对陀螺输出进行温度补偿。
8.根据权利要求7所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S301包括以下步骤：
S3011、产品置于带静基座温箱中的隔振台，调整IMU位置，使X轴指天；
S3012、设置温箱温度为IMU工作最低温，保温一段时间，直至IMU内部温度稳定，温度稳定后开始采集IMU常温补偿后数据，采集时间5～10min；
S3013、设置温箱温度为另外一温度点，重复步骤S3012，采集相应数据，如此重复，直至在IMU工作温度范围内均匀采集5～12组数据；
S3014、打开温箱，翻转产品使X轴指地，重复步骤S3012～S3013，完成X轴指地时的常温补偿后数据采集；
S3015、完成Y指天、指地、Z指天、指地时的常温补偿后数据采集工作。
9.根据权利要求7所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S302中，针对采集到的X、Y、Z轴的指天、指地多组常温补偿后数据，分别求取各轴在指天、指地时输出的均值作为由温度变化带来的陀螺零偏，采用分段直线方法或者曲线拟合方法对陀螺零偏进行拟合，得到温补数据拟合函数W0(Ti)。
10.根据权利要求7所述的光纤IMU全温标定补偿方法，其特征在于，步骤S303中，补偿后的角速率值Win计算如下：
Win＝Wout(Ti)-W0(Ti)
其中，Wout(Ti)为Ti温度时陀螺仪传感器经过常温标定补偿后的输出，W0(Ti)为Ti温度时陀螺零偏值。
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