CN110058053A - 一种加速度计线性度的动态校准方法 - Google Patents

一种加速度计线性度的动态校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，属于加速度计的校准方法领域。本发明实现方法为：对倾斜轴转台台面调水平；安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作台面，且检测质量的质心与旋转轴的中心重合；设定频率点，选定加速度的幅值点；保持旋转轴的角速度一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，采集加速度计输出信号；将所有幅值点的数据进行直线拟合；根据拟合方程计算某一频率下的非线性偏差最大值，计算该频率下加速度计线性度；改变旋转轴角速度值并重复上述加速度计线性度测量过程，获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，得到不同频率下的线性度关系，实现加速度计线性度的动态校准。

Description

一种加速度计线性度的动态校准方法
技术领域
本发明涉及一种加速度计线性度的动态校准方法，属于加速度计的校准方法领域。
背景技术
线性度又称非线性，表征传感器输出-输入校准曲线(或平均校准曲线)与所选定的作为工作直线的拟合直线之间的偏离程度。这一指标通常以相对误差表示：
式中：
ξL为线性度；
ΔLmax为输出平均校准曲线与拟合直线间的最大偏差；
yF.S为理论满量程输出。
加速度计线性度目前采用的校准方法，大多是在静态条件下进行的，即在精密离心机产生的静态恒加速度激励下进行的。静态条件下校准获得的指标，只能反映出待校准加速度计的静态特性。随着武器装备的发展，武器装备对惯导系统等的动态性能要求越来越高。加速度计装入惯导系统或飞控系统后在飞行过程中，其需要敏感的加速度是动态变化的。利用加速度计线性度的动态校准方法，所获得的校准结果更贴近加速度计的实际飞行状态。
发明内容
本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法要解决的技术问题是：获得加速度计的动态性能，通过利用倾斜轴转台来产生一系列频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，通过测量加速度计在所述动态加速度信号激励下的输出值，从而获得不同频率下的线性度关系，即实现加速度计线性度的动态校准。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法为：对倾斜轴转台台面调水平，将水平仪放置在倾斜轴转台的台面上，倾斜轴保持不动，将平行于倾斜轴和垂直于倾斜轴的两个方向均调水平。安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作台面，且检测质量的质心与旋转轴的中心重合。设定频率点，选定加速度的幅值点。保持旋转轴的角速度一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，并采集加速度计输出信号。将所有幅值点的数据进行直线拟合，得到拟合方程。根据拟合方程计算某一频率下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该频率下加速度计线性度。改变旋转轴角速度值并再重复上述加速度计线性度测量过程，即能够获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，从而得到不同频率下的线性度关系，进而实现加速度计线性度的动态校准。
本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，包括如下步骤：
步骤一：对倾斜轴转台台面调水平。
将水平仪放置在倾斜轴转台的台面上，倾斜轴保持不动，将平行于倾斜轴和垂直于倾斜轴的两个方向均调水平。
步骤二：安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作台面，且检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
将待校准的加速度计安装在倾斜轴转台的台面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
步骤二具体实现方法为：
步骤2.1：将待校准的加速度计安装在倾斜轴转台的台面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面。
步骤2.2：保持倾斜轴转台台面水平状态，使旋转轴角速度达到最大，测量加速度计的输出值。
步骤2.3：根据步骤2.2的测量值，调整二维位移机构中的X方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值变小，直到加速度计输出值的绝对值最小。
步骤2.4：调整二维位移机构中的Y方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值进一步变小，直到加速度计输出值的绝对值最小。
至此，待校准加速度计检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
步骤三：设定频点率，选定加速度的幅值点，得到加速度计输出的m组数据。
保持旋转轴的角速度一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，并采集加速度计输出信号。
将倾斜轴依次按0°～90°内选取的m个角度值进行倾斜，控制旋转轴以角速度ω旋转，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，采集加速度计的输出，得到加速度计输出的m组数据。
步骤四：将步骤三中所得多组数据进行直线拟合，得到拟合方程。
步骤四所述的拟合方程如公式(1)所示。
E*＝p*+q*a (1)
式中：
E*为加速度计输出信号正弦分量的拟合值，V；
p*为拟合直线的截距，V；
q*为拟合直线的斜率，V/(m/s2)；
a为正弦加速度峰值，m/s2。
步骤五：计算非线性偏差最大值及该频率下加速度计线性度。
根据步骤四得到的拟合方程计算某一频率下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该频率下加速度计线性度。
步骤五具体实现方法为：
步骤5.1：根据步骤四得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示，
式中：
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差最大值；
为第i个幅值点加速度计输出信号正弦分量峰值的平均值；
p*为拟合直线的截距；
q*为拟合直线的斜率；
a为正弦加速度峰值；
ai为第i个正弦加速度峰值；
i为第i组数据，i＝1,2,…,m；
m为数据组数。
步骤5.2：根据非线性偏差最大值计算该频率下的线性度L如公式(3)所示：
式中：
L为加速度计线性度；
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差的最大值；
aF.S为加速度计量程。
步骤六：改变步骤三中的旋转轴角速度值，并再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，从而得到不同频率下的线性度关系，进而实现加速度计线性度的动态校准。
改变步骤三中的旋转轴角速度ω值，由于旋转轴角速度ω与频率f存在如下关系因此，改变步骤三中的旋转轴角速度ω值，即能够实现对应改变频率f。再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率f下的线性度，即实现加速度计线性度的动态校准。
有益效果：
1、本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，保持旋转轴的转速一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，并采集加速度计输出信号。将步骤三中所得m组数据进行直线拟合，得到拟合方程。根据步骤四得到的拟合方程计算某一频率下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该频率下加速度计线性度，即实现固定频率下的加速度计线性度校准。
2、本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，通过采用倾斜轴转台复现不同频率下的动态加速度激励，改变步骤三中的旋转轴角速度值，并再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，进而得到不同频率下的线性度关系，即实现加速度计线性度的动态校准。
3、本发明公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，能够实现速度计线性度的动态校准，因此，校准状态更接近加速度计的实际使用状态，校准结果更具有实际使用意义。
附图说明
图1是本发明公开的一种加速度计线性度动态校准方法的流程图；
图2是本发明公开的一种加速度计线性度动态校准方法的校准原理图；
图3是本发明中所用的倾斜轴转台示意图；
图4是本发明中所用的二维位移机构和安装夹具示意图；
图5是本发明中待校准加速度计在动态条件下“输出-输入”关系曲线的示意图。
其中：1-待校准加速度计、2-倾斜轴转台、3-安装夹具、4-二维位移机构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例公开的一种加速度计线性度的动态校准方法，流程图如图1所示，校准原理如图2所示，具体实现步骤如下：
步骤一：对倾斜轴转台台面调水平。
倾斜轴转台的结构如图3所示，将水平仪放置在倾斜轴转台2的台面上，倾斜轴保持不动，将平行于倾斜轴和垂直于倾斜轴的两个方向均调水平。
步骤二：安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作台面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合。
二维位移机构和安装夹具如图4所示，将待校准的加速度计1通过安装夹具3和二维移动机构4安装在倾斜轴转台2的台面上，使得待校准加速度计1输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计1检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
步骤二具体实现方法为：
步骤2.1：将待校准的加速度计1通过安装夹具3和二维移动机构4安装在倾斜轴转台2的台面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面。
步骤2.2：保持倾斜轴转台2台面水平状态，使旋转轴角速度达到最大，测量加速度计的输出值。
步骤2.3：根据步骤2.2的测量值，调整二维位移机构4中的X方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值变小，直到加速度计输出值的绝对值最小。
步骤2.4：调整二维位移机构4中的Y方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值进一步变小，直到加速度计输出值的绝对值最小。
至此，待校准加速度计1的检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
步骤三：设定频率点，选定加速度幅值点。
保持旋转轴的角速度一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生6组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，并采集加速度计输出信号。
将倾斜轴依次按0°～90°内选取的6个角度值进行倾斜，所述6个角度分别为：15°、30°、45°、60°、75°、90°。控制旋转轴以角速度360°/s旋转，产生6组频率为1Hz、幅值分别为(2.54、4.90、6.93、8.49、9.47、9.80)m/s2的动态加速度，采集加速度计的输出，得到加速度计输出的6组数据。
步骤四：将步骤三中所得多组数据进行直线拟合，得到拟合方程。
步骤四所述的拟合方程公式(1)所示。
E*＝p*+q*a (1)
式中：
E*为加速度计输出信号正弦分量的拟合值，V；
p*为拟合直线的截距，V；
q*为拟合直线的斜率，V/(m/s2)；
a为正弦加速度峰值，m/s2。
步骤五：计算非线性偏差最大值和加速度计线性度
根据步骤四得到的拟合方程计算频率为1Hz时的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算频率为1Hz时加速度计的线性度。
步骤五具体实现方法为：
步骤5.1：根据步骤四得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示，
式中：
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差最大值；
为第i个幅值点加速度计输出信号正弦分量峰值的平均值；
p*为拟合直线的截距；
q*为拟合直线的斜率；
a为正弦加速度峰值；
ai为第i个正弦加速度峰值；
i为第i组数据，i＝1,2,…,6。
步骤5.2：根据非线性偏差最大值计算频率为1Hz的线性度L如公式(3)所示：
式中：
L为加速度计线性度；
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差的最大值；
aF.S为加速度计量程。
步骤六：改变步骤三中的旋转轴角速度值，并再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，进而得到不同频率下的线性度关系，即实现加速度计线性度的动态校准。
改变步骤三中的旋转轴角速度ω值，所述角速度ω值分别为：1800°/s、3600°/s、5400°/s、7200°/s、9000°/s、10800°/s。再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在频率分别为5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz时的线性度，即实现加速度计线性度的动态校准。
待校准加速度计线性度曲线如图5所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：对倾斜轴转台台面调水平；
步骤二：安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作台面，且检测质量的质心与旋转轴的中心重合；
步骤三：设定频点率，选定加速度的幅值点，得到加速度计输出的m组数据；
步骤四：将步骤三中所得多组数据进行直线拟合，得到拟合方程；
步骤五：计算非线性偏差最大值及该频率下加速度计线性度；
根据步骤四得到的拟合方程计算某一频率下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该频率下加速度计线性度；
步骤六：改变步骤三中的旋转轴角速度值，并再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率下的线性度，从而得到不同频率下的线性度关系，进而实现加速度计线性度的动态校准。
2.如权利要求1所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤一实现方法为，将水平仪放置在倾斜轴转台的台面上，倾斜轴保持不动，将平行于倾斜轴和垂直于倾斜轴的两个方向均调水平。
3.如权利要求2所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：将待校准的加速度计安装在倾斜轴转台的台面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
4.如权利要求3所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
保持旋转轴的角速度一定，控制倾斜轴的倾斜角，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，并采集加速度计输出信号；
将倾斜轴依次按0°～90°内选取的m个角度值进行倾斜，控制旋转轴以角速度ω旋转，产生m组频率不变、幅值从小到大变化的动态加速度，采集加速度计的输出，得到加速度计输出的m组数据。
5.如权利要求4所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤四所述的拟合方程如公式(1)所示；
E*＝p*+q*a (1)
式中：
E*为加速度计输出信号正弦分量的拟合值，V；
p*为拟合直线的截距，V；
q*为拟合直线的斜率，V/(m/s2)；
a为正弦加速度峰值，m/s2。
6.如权利要求5所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤五具体实现方法为，
步骤5.1：根据步骤四得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示，
式中：
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差最大值；
为第i个幅值点加速度计输出信号正弦分量峰值的平均值；
p*为拟合直线的截距；
q*为拟合直线的斜率；
a为正弦加速度峰值；
ai为第i个正弦加速度峰值；
i为第i组数据，i＝1,2,…,m；
m为数据组数；
步骤5.2：根据非线性偏差最大值计算该频率下的线性度L如公式(3)所示：
式中：
L为加速度计线性度；
ΔEmax为加速度计输出信号正弦分量非线性偏差的最大值；
aF.S为加速度计量程。
7.如权利要求6所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：改变步骤三中的旋转轴角速度ω值，由于旋转轴角速度ω与频率f存在如下关系因此，改变步骤三中的旋转轴角速度ω值，即能够实现对应改变频率f；再重复步骤三至步骤五，即能够获得待校准加速度计在不同频率f下的线性度，即实现加速度计线性度的动态校准。
8.如权利要求7所述的一种加速度计线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
步骤2.1：将待校准的加速度计安装在倾斜轴转台的台面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面；
步骤2.2：保持倾斜轴转台台面水平状态，使旋转轴角速度达到最大，测量加速度计的输出值；
步骤2.3：根据步骤2.2的测量值，调整二维位移机构中的X方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值变小，直到加速度计输出值的绝对值最小；
步骤2.4：调整二维位移机构中的Y方向，再重复步骤2.2，逐渐使加速度计输出值的绝对值进一步变小，直到加速度计输出值的绝对值最小；
至此，待校准加速度计检测质量的质心与旋转轴的中心重合。
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