CN109752769A - 一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，该重力仪稳定平台测量装置包括IMU、与IMU固定连接的平台台体和控制系统，控制系统用于驱动平台台体转动以追踪当地地理坐标系，该参数标定方法具体步骤为：利用水平仪对平台台体进行手动调平，确保平台台体的水平基准后利用平台台体两侧的锁死机构固定平台台体；测量平台台体水平状态下的IMU的姿态角数据得到单次标定结果；重复步骤S1得到N次单次标定结果，对N次单次标定结果取平均值得到最终标定结果；将最终标定结果输入控制系统以实现对重力仪稳定平台测量装置测量结果的补偿，以提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于导航系统领域，具体涉及利用一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法。
背景技术
重力测量一直以来是大地测量的重要研究方向，完整、精确的地球表面的重力场信息可为水下导航、资源开采、地质勘探等提供重要的数据支持。对远洋或丘陵地带的重力勘探也是重要的工作内容，重力测量通过将重力仪置于飞机、舰艇之内进行测量，但随着载体的高速运动，会对重力仪的高精度测量带来干扰的问题。因此，为实现重力仪的测量精度，需要为其提供一个在10天内姿态精度保持为1角分的稳定平台。
高精度的海洋航空重力仪稳定平台是舰船或飞机搭载重力仪进行重力测量必不可少的仪器设备。它能够为重力仪提供高精度的水平姿态，保证重力仪在外界干扰下保持高精度的垂直指向，是减小重力测量误差的重要仪器之一。重力仪稳定平台系统是航空、航天、舰船、导弹系统工程中重要设备，能够隔离载体扰动，利用陀螺特性将平台台体姿态稳定在参考坐标系的精密机电装置。为提高姿态精度其采用的惯性设备是整套IMU而非以陀螺仪为核心的组件，为了充分提高提高姿态精度，有必要在IMU进入工作模式之前对安装误差进行补偿。
由于IMU固连在内框平台上，理想状态下IMU输出地即为平台台体姿态，在平台水平状态下IMU输出水平方向上的两个姿态角应该为0。实际状态下，除了随机误差、常值漂移等误差的影响，IMU还存在较大的安装误差。IMU的安装误差可以通过光学标定安装基准面的方式进行补偿，然而光学标定条件要求高，在重力仪上无法进行，同时，固定在系统上的IMU也不能通过惯性转台和重力加速度完成标定。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，该方法通过多次测量平台台体水平状态下的IMU的姿态角数据得到单次标定结果取平均值后得到最终标定结果，将最终标定结果输入控制系统以实现对重力仪稳定平台测量装置测量结果的补偿，以提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，该重力仪稳定平台测量装置包括IMU、与IMU固定连接的平台台体和控制系统，控制系统用于驱动平台台体转动以追踪当地地理水平坐标系，该参数标定方法具体步骤为：
S1.利用水平仪对平台台体进行手动调平，利用平台台体两侧的锁死机构固定平台台体；测量平台台体水平状态下的IMU的姿态角数据得到单次标定结果；
S2.重复步骤S1得到N次单次标定结果，对N次单次标定结果取平均值得到最终标定结果；
S3.将最终标定结果输入控制系统以实现对重力仪稳定平台测量装置测量结果的补偿，以提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
作为本发明的进一步改进，单次标定结果为：平台台体水平状态下记录预定的工作时长内IMU输出的姿态角数据，取平均值得到单次标定结果。
作为本发明的进一步改进，平台台体为双轴框架结构，平台台体包括内框、内框平台和外框，IMU固定于内框平台上，内框平台用于跟随IMU俯仰轴的变化，内框用于跟随IMU横滚轴的变化。
作为本发明的进一步改进，平台台体还包括外框力矩电机和内框力矩电机，外框力矩电机安装在外框上，内框平台安装在内框内侧；内框与外框力矩电机转子固定，内框随外框力矩电机转子转动；内框平台与内框力矩电机转子固定，内框平台随内框力矩电机转子转动。
作为本发明的进一步改进，外框力矩电机和内框力矩电机的中轴线垂直且位于同一水平面；外框、内框平台和内框初始状态下位置水平。
作为本发明的进一步改进，IMU的一个光栅旋转编码器穿过外框与外框力矩电机转子同轴；IMU的另一个光栅旋转编码器穿过内框平台与内框力矩电机转子同轴。
作为本发明的进一步改进，控制系统用于依据IMU的测量数据和控制算法驱动外框力矩电机和内框力矩电机转动，以实现平台台体准确追踪当地地理水平坐标系。
作为本发明的进一步改进，将平行于内框和外框的中轴线的两个水平仪分别置于内框和外框上，利用两个水平仪调平平台台体的内框和外框。
作为本发明的进一步改进，利用内框和外框侧边的锁死机构固定内框和外框。
作为本发明的进一步改进，其特征在于，控制系统依据最终标定结果对控制算法进行相应的软件补偿。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其针对海洋/航空重力仪稳定平台存在不可避免的IMU安装误差，利用水平仪调平重力仪稳定平台的平台台体后进行锁死从而测量得到单次标定结果，同时利用多次单次标定结果求取平均值得到最终标定结果对控制系统补偿，从而提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
本发明的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其充分考虑到IMU的随机误差、常值漂移等误差的影响，统计一定时长内的IMU测量结果求取平均值得到单次标定结果，通过对大量数据求均值近似估计该常值误差，从而进一步提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
本发明的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其通过最终标定结果和控制系统的控制算法补偿该测量装置的测量结果，从而减少了IMU的各类误差对测量结果精度的影响。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种重力仪稳定平台测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图1为本发明优选实施例的一种重力仪稳定平台测量装置的结构示意图。如图1所示，重力仪稳定平台测量装置包括IMU、平台台体和控制系统，平台台体优选为双轴框架结构，双轴框架包括外框、内框平台和内框，IMU固定于双轴框架的内框平台上，双轴框架的内框平台用于跟随IMU俯仰轴的变化，双轴框架的内框用于跟随IMU横滚轴的变化。具体地，平台台体还包括外框力矩电机和内框力矩电机，内框为横滚框，内框平台为俯仰框；外框力矩电机安装在外框上，内框平台安装在内框内侧；内框与外框力矩电机转子固定，内框随外框力矩电机转子转动；内框平台与内框力矩电机转子固定，内框平台随内框力矩电机转子转动；外框力矩电机和内框力矩电机的中轴线垂直且位于同一水平面；外框、内框平台和内框初始状态下位置水平；IMU安置在内框平台上；一个光栅旋转编码器穿过外框与外框力矩电机转子同轴，位于外框力矩电机相对的外框的另一侧；另一个光栅旋转编码器穿过内框平台与内框力矩电机转子同轴，位于内框力矩电机相对的内框的另一侧。
控制系统用于控制直流力矩电机，从而实现重力仪稳定平台受到扰动时仍能保持水平状态，供电系统为整个系统提供稳定的直流和交流电源，辅助系统用于提供外部信息给IMU，从而提高IMU的姿态精度。控制系统用于依据IMU的测量数据和控制算法驱动外框力矩电机和内框力矩电机转动，以实现平台台体准确追踪当地地理水平坐标系，从而实现动态重力测试。IMU作为姿态角和角速度的传感器，其用于检测载体的加速度和角速度信息，并通过导航解算出姿态角，IMU将输出的姿态角和角速度传输给控制系统的解算芯片，通过控制算法得到控制电压，同时通过功率放大器也就是功放板放大电流，驱动直流力矩电机从而带动平台台体转动，利用IMU测量重力仪稳定平台的平台台体姿态变化，并建立起当地地理水平坐标系。控制系统结合IMU的输出信号和基于DSP架构设计相应的控制算法，通过驱动直流力矩电机从而驱动平台台体转动，跟踪当地地理水平坐标系从而保持平台台体水平。
IMU通过平台台面固定安装在重力仪稳定平台底部中心位置，IMU底座中心与平台底部中心重合，IMU的安装坐标系应与重力仪稳定平台坐标系方向完全一致，但由于加工工艺、安装条件的影响，IMU的安装坐标系与重力仪稳定平台坐标系之间存在一定的安装误差。
一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法具体步骤如下：
S1.利用水平仪对重力仪稳定平台的平台台体进行手动调平，确保平台台体的水平基准后利用平台台体两侧的锁死机构固定平台台体；测量该平台台体水平状态下的IMU的姿态角数据即为单次标定结果；
具体地，平台台体优选为双轴框架结构，IMU固定于双轴框架的内框平台上，双轴框架的外框用于跟随IMU俯仰轴的变化，双轴框架的内框用于跟随IMU横滚轴的变化。双轴框架包括外框、内框平台、内框、外框力矩电机和内框力矩电机，内框为横滚框，内框平台为俯仰框；外框力矩电机安装在外框上，内框平台安装在内框内侧；内框与外框力矩电机转子固定，内框随外框力矩电机转子转动；内框平台与内框力矩电机转子固定，内框平台随内框力矩电机转子转动；外框力矩电机和内框力矩电机的中轴线垂直且位于同一水平面；外框、内框平台和内框初始状态下位置水平；IMU安置在内框平台上；一个光栅旋转编码器穿过外框与外框力矩电机转子同轴，位于外框力矩电机相对的外框的另一侧；另一个光栅旋转编码器穿过内框平台与内框力矩电机转子同轴，位于内框力矩电机相对的内框的另一侧。
将两个水平仪分别平行于内框和外框的中轴线置于内框和外框上，利用水平仪调平平台台体的内框和外框。作为一个示例，水平仪优选为气泡水平仪。
调平双轴框架的内框和外框后，可以认为平台台体处于绝对水平的基准位置，利用内框和外框侧边地锁死机构固定内框和外框。由于IMU固连在内框平台上，理想状态下IMU输出地即为平台台体姿态，在平台台体水平状态下IMU输出水平方向上的两个姿态角应该为0，然而调平过程存在一定的误差，因此需要测量该误差值，测得的结果即为重力仪稳定平台的安装误差。
在平台台体水平状态下，记录预定的工作时长内IMU输出的姿态角数据并取平均值得到单次标定结果。作为一个示例，可以让IMU工作2个小时，记录2个小时内IMU输出的姿态角数据并取平均值得到单次标定结果。
S2.重复步骤S1得到N次单次标定结果，对N次单次标定结果取平均值得到最终标定结果；
作为一个示例，重复步骤S2得到10次单次标定结果，对10次单次标定结果取平均值得到最终标定结果。
S3.将最终标定结果输入控制系统以实现对重力仪稳定平台测量装置测量结果的补偿，以提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
控制系统结合IMU的测量结果和基于DSP架构设计相应的控制算法，通过驱动直流力矩电机从而驱动平台台体转动，跟踪当地地理水平坐标系从而保持平台台体水平。将最终标定结果输入控制系统并通过控制算法进行补偿后，IMU的安装误差能够有效减小。作为一个示例，以10组试验姿态角数据的均值来估计IMU输出零位，得到的最后标定结果分别为：俯仰角-0.004647°和横滚角0.02217°，将最终标定结果输入控制系统，以实现对IMU的安装误差进行软件补偿。
由于IMU固连在内框平台上，理想状态下IMU输出地即为平台台体姿态，在平台水平状态下IMU输出水平方向上的两个姿态角应该为0。实际状态下，除了随机误差、常值漂移等误差的影响，IMU还存在较大的安装误差。IMU姿态误差主要来自三个方面：(1)IMU的输出的姿态误差；(2)机械、元器件安装误差；(3)控制系统的控制误差。其中，IMU的姿态误差决定了重力仪稳定平台控制姿态的极限精度，重力仪稳定平台控制系统的误差直接决定了重力仪稳定平台控制姿态的极限精度，因此，IMU的机械安装误差对重力仪稳定平台的测量精度也有不可忽视的影响。因此，通过标定与补偿减小IMU的安装误差对提高重力仪稳定平台的测量精度具有工程实际意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，该重力仪稳定平台测量装置包括IMU、与IMU固定连接的平台台体和控制系统，控制系统用于驱动平台台体转动以追踪当地地理坐标系，其特征在于，该参数标定方法具体步骤为：
S1.利用水平仪对所述平台台体进行手动调平，利用所述平台台体两侧的锁死机构固定所述平台台体；测量所述平台台体水平状态下的IMU的姿态角数据得到单次标定结果；
S2.重复步骤S1得到N次单次标定结果，对N次单次标定结果取平均值得到最终标定结果；
S3.将最终标定结果输入控制系统以实现对重力仪稳定平台测量装置测量结果的补偿，以提高重力仪稳定平台测量装置的测量精度。
2.根据权利要求1所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述单次标定结果为：平台台体水平状态下记录预定的工作时长内IMU输出的姿态角数据，取平均值得到单次标定结果。
3.根据权利要求1或2所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述平台台体为双轴框架结构，所述平台台体包括内框、内框平台和外框，所述IMU固定于所述内框平台上，所述内框平台用于跟随IMU俯仰轴的变化，所述内框用于跟随IMU横滚轴的变化。
4.根据权利要求3所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述平台台体还包括外框力矩电机和内框力矩电机，所述外框力矩电机安装在外框上，所述内框平台安装在内框内侧；所述内框与外框力矩电机转子固定，所述内框随外框力矩电机转子转动；所述内框平台与内框力矩电机转子固定，所述内框平台随内框力矩电机转子转动。
5.根据权利要求4所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述外框力矩电机和内框力矩电机的中轴线垂直且位于同一水平面；所述外框、内框平台和内框初始状态下位置水平。
6.根据权利要求5所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述IMU的一个光栅旋转编码器穿过外框与外框力矩电机转子同轴；所述IMU的另一个光栅旋转编码器穿过内框平台与内框力矩电机转子同轴。
7.根据权利要求6所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述控制系统用于依据IMU的测量数据和控制算法驱动外框力矩电机和内框力矩电机转动，以实现所述平台台体准确追踪当地地理水平坐标系。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，将平行于内框和外框的中轴线的两个水平仪分别置于内框和外框上，利用所述两个水平仪调平所述平台台体的内框和外框。
9.根据权利要求8所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，利用所述内框和外框侧边的锁死机构固定内框和外框。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种重力仪稳定平台测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述控制系统依据最终标定结果对控制算法进行相应的软件补偿。
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