CN110608756A - Sins/dvl组合导航系统安装误差结构补偿方法 - Google Patents

Sins/dvl组合导航系统安装误差结构补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，属于导航技术领域，其特征在于，包括如下步骤：S1：安装误差相关坐标系映射结构设计；S2：工业CT扫描标定；利用工业CT对装配完成的DVL内部不同材质之间几何尺寸进行扫描分析，从而计算安装误差相关各坐标系间的对应关系，通过工业CT扫描，复测四个换能器垂向轴与DVL坐标系之间的安装误差，并在方案软件中补偿，由于SINS安装面与DVL安装面的平行度较高，所以忽略二者之间的横摇角和纵摇角安装误差；步骤3：标定结果补偿，本发明采用基于换能器的安装误差补偿方案，在保证Janus配置优势的前提下，实现安装误差的精确补偿。

Description

SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，具体涉及一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法。
背景技术
在水下载体应用(各类AUV、ROV及水中兵器)中大多采用DVL的速度信息辅助SINS，构成SINS/DVL组合导航系统，为水下载体提供导航控制信息。在DVL能够提供对地(测底工作模式)速度的情况下，可以大大抑制SINS误差的发散。因此SINS/DVL组合几乎是装备中等(定位精度1nm/h)及以下精度惯导设备的水下载体标准的导航配置。
SINS和DVL在水下载体传统的使用方式为各自独立安装，为了取得理想的组合导航效果，必须对安装在载体不同位置的SINS和DVL之间的安装误差角进行标定。安装误差角是指DVL与SINS之间的安装姿态关系。DVL测量相对于DVL坐标系下速度，SINS测量相对于SINS坐标系下的向与水平姿态，为了能够获得载体地理系下的定位信息，必须要求DVL定义的坐标系与SINS定义的坐标系在方向上是完全一致的，或者两者不一致时，也需要知道两者的安装偏角关系并进行补偿，否则会导致组合导航的失效。
简单起见，假设DVL坐标系d系与载体坐标系b系之间的变换矩阵为载体坐标系b系与地理坐标系n系之间的姿态变换矩阵为选择地理坐标系为导航坐标系，则DVL相对于自身测量坐标系的速度在导航坐标系n系下的投影为：
式中——DVL测得的实际速度，包含纵向速度、横向速度及垂向速度；
——载体在地理坐标系下的速度(东向速度、北向速度及垂向速度)。
设DVL标度因数误差为(忽略垂向标度因数误差)，则实际的DVL输出速度为：
设DVL与载体系之间的安装误差角向量为η＝[α β γ]T，由于实际的工程应用中，认为η是常值小量。则计算过程中使用的从d系到b系的姿态转移矩阵为：
其中η×为安装误差角向量的反对称阵：
根据式(1)，在实际计算过程中DVL输出的速度在导航坐标系下的投影可以表示为：
式中——计算用姿态矩阵:
其中为SINS姿态误差角向量的反对称阵。
将(2)、(3)式代入(4)式，可得：
展开后忽略二阶小量，进一步可得DVL测速误差在n系下的表示：
其中为载体地理系下速度向量的反对称阵。
(7)式即为DVL测速误差模型，可见安装误差通过载体姿态矩阵及载体速度对DVL的测速误差产生影响，必须在解算过程中给予补偿。
通常使用外部观测信息(例如精确的GNSS位置信息)标定SINS/DVL之间的安装误差，标定过程繁琐，且重新安装SINS或DVL后需要重新进行标定，费时费力。将SINS与DVL设计为结构一体化的组合导航系统，可在设计阶段保证二者之间的安装关系一致，并将安装误差限定在小角度量的范围内，同时可在系统装配后通过工业CT扫描的方法进行安装误差角的精确复核，产品交付用户后可直接使用，无需再进行安装误差标定，降低用户时间和标定成本。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，其中DVL采用四波束詹纳斯(Janus)配置，给出了换能器坐标系、DVL坐标系、SINS坐标系及载体坐标系一致性设计及安装误差机械标定及补偿方法。在设计过程中考虑各坐标系之间的对应关系并设计机械结构，将SINS/DVL之间的安装误差限定在可忽略的范围内，同时整个系统装配完成后，通过工业CT扫描仪对装配后的安装误差残差进行精确测定并在软件中补偿，采用基于换能器的安装误差补偿方案，在保证Janus配置优势的前提下，实现安装误差的精确补偿。
本发明的目的是提供一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，DVL采用四波束詹纳斯配置，包括如下步骤：
S1：安装误差相关坐标系映射结构设计；
S2：工业CT扫描标定；
利用工业CT对装配完成的DVL内部不同材质之间几何尺寸进行扫描分析，从而计算安装误差相关各坐标系间的对应关系，通过工业CT扫描，复测四个换能器垂向轴与DVL坐标系之间的安装误差，并在方案软件中补偿，由于SINS安装面与DVL安装面的平行度较高，所以忽略二者之间的横摇角和纵摇角安装误差；
步骤3：标定结果补偿，具体为：
DVL四个换能器所测的载体水平速度如下式所示：
Vd＝CdbVb
其中：
Vd为四个换能器测量速度，Vd包含四个速度分量；
Vy1,Vy2为艏艉向换能器测量速度；
Vx1,Vx2为左右向换能器测量速度；
Cdb为DVL坐标系到载体系安装误差补偿矩阵；
α1为DVL艏向换能器与SINS的Y轴正向安装误差角，α1为锐角，Y轴右侧为正；
α2为DVL艉向换能器与SINS的Y轴负向安装误差角，α2为锐角，Y轴右侧为正；
β1为DVL左向换能器与SINS的X轴正向安装误差角，β1为锐角，X轴上侧为正；
β2为DVL右向换能器与SINS的X轴负向安装误差角，β2为锐角，X轴上侧为正；
Vb为载体实际速度矢量，
Vy,Vx为载体Y向和X向实际速度；
按上式补偿的安装误差考虑到了不同换能器安装误差不同的影响，同时设计过程保证了航向安装误差角均为小角度。
进一步：所述S1具体为：
将DVL坐标系与SINS坐标系映射至实体结构之中，与SINS/DVL安装误差相关的坐标系包括：换能器坐标系、DVL坐标系、SINS坐标系；在载体实际导航过程中，通过在DVL坐标系映射的安装面上设计DVL水平基准与载体系ObZb轴垂直，DVL方位基准与载体系ObXbYb面平行，保证载体坐标系与DVL坐标系一致；
SINS坐标系通过SINS水平基准面和SINS方位基准映射至SINS结构体，其中SINS方位基准所确定平面的法线方向为SINS艏向，SINS水平基准面代表了OsXSYs确定的平面；
SINS坐标系与DVL坐标系的一致性通过与DVL坐标系对应的SINS安装面实现，通过结构约束使得SINS方位基准与DVL方位基准保持空间方向的一致性，SINS水平基准与DVL水平基准保持空间方向的一致性。
进一步：工业CT扫描复测步骤如下：
d)标定前将装配好的带有DVL基准、SINS基准及四个换能器的结构组件在工业CT扫描仪台面上固定好；
e)以SINS水平基准面及方位基准面为坐标基准，使用工业CT扫描仪复合陶瓷换能器，并计算出其垂向轴的矢量方向OtZti(i＝1,2,3,4)；
计算四个换能器矢量轴OtZti在DVL水平基准上的投影与DVL水平坐标轴正向(ObYb，ObXb)之间的夹角α1,α2,β1,β2。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，本发明中的DVL采用四波束詹纳斯(Janus)配置，给出了换能器坐标系、DVL坐标系、SINS坐标系及载体坐标系一致性设计及安装误差机械标定及补偿方法。在设计过程中考虑各坐标系之间的对应关系并设计机械结构，将SINS/DVL之间的安装误差限定在可忽略的范围内，同时整个系统装配完成后，通过工业CT扫描仪对装配后的安装误差残差进行精确测定并在软件中补偿，采用基于换能器的安装误差补偿方案，在保证Janus配置优势的前提下，实现安装误差的精确补偿。
附图说明
图1为换能器坐标系；
图2为DVL坐标系；
图3为SINS坐标系；
图4为载体坐标系及换能器坐标系、DVL坐标系、SINS坐标系结构映射图；
图5为DVL换能器实际装配后与DVL坐标系的安装关系图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，DVL使用的换能器为压电复合材料水声换能器，坐标系的定义如图1所示。为便于说明坐标系于结构的映射，坐标原点选择在换能器安装面的几何中心(下同)。OtZt方向为声波振动方向，OtXtYtZt构成右手坐标系。需要说明的是，OtYt、OtXt的方向确定取决于波束倾角及OtZt与DVL坐标系之间的相对关系。
如图2所示，OdXdYdZd为DVL坐标系，其中OdYd指向载体艏向，OdXd指向载体右舷。在DVL坐标系与SINS坐标系及载体坐标系通过机械设计及加工保证一致的条件下，DVL坐标系OdXdYdZd与换能器坐标系OtXtYtZt之间的三个旋转欧拉角就包含了DVL安装误差的主要信息。
为简化分析起见，不考虑杆臂误差的影响，使得DVL坐标系的原点与换能器坐标系的原点重合，因Janus配置的DVL要使得换能器声波振动方向轴OtZt与DVL坐标系系垂向OdZd轴成一定的倾斜角度(波束倾角)，OtZt在DVL坐标系OdXdYdZd上的投影(OtYtZt面与ObXbYb面的交线)为OdYtd，OdYtd与载体艏向的夹角∠YdOdYtd即为DVL航向安装误差角。
如图3所示，SINS坐标系坐标原点Os其为SINS安装面的几何中心，OsYs为SINS艏向，与SINS方位基准定位面的法线方向平行，OsXs为SINS右向，OsXsYs面与SINS水平基准面平行。
如图4所示，ObXbYbZb为载体坐标，其中ObYb为载体艏向，ObXb为载体右舷，ObZb垂直向上。换能器坐标系通过安装面与DVL固连并与载体坐标系进行结构映射，DVL坐标系通过DVL水平基准、DVL方位基准与载体坐标系进行结构映射，SINS坐标系通过SINS水平基准、SINS方位基准与载体系进行结构映射。SINS/DVL组合导航过程中，使用SINS测量解算后的捷联矩阵对DVL载体系速度进行分解并积分，从而得到载体的位置信息，位置信息的精度与SINS坐标系与DVL坐标系之间的安装误差角相关。
如图5所示，理论上换能器的声中心应位于陶瓷复合式换能器的声中心，振动方向也应与OtZt方向一致，满足设计要求后，可视SINS与DVL之间的安装误差角为小角度，但实际装配完成后，无法保证四个换能器的垂向轴方向与设计一致。如图5所示换能器声中心实际设置位置均应在DVL坐标轴上，但因为加工装配误差的存在，实际换能器声中心的位置会有所偏离，使用α1,α2,β1,β2表征偏离程度。
一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，包括：
步骤1：安装误差相关坐标系映射结构设计
系统结构设计时将DVL坐标系与SINS坐标系映射至实体结构之中，是实现机械标定的基础。与SINS/DVL安装误差相关的坐标系有：换能器坐标系(图1)、DVL坐标系(图2)、SINS坐标系(图3)。在载体实际导航过程中，通过在DVL坐标系映射的安装面上设计DVL水平基准与载体系ObZb轴垂直，DVL方位基准与载体系ObXbYb面平行保证载体坐标系与DVL坐标系一致(如图4所示)，故可忽略载体坐标系，只考虑换能器坐标系、SINS坐标系、DVL坐标系之间的变换关系及与系统结构的对应。
DVL坐标系的结构映射取决于换能器结构形式及DVL波束倾角。图1所示的DVL换能器坐标系下声波发射方向为沿OtZt方向，其对应的换能器结构为换能器安装面(垂直于OtZt)，设计过程中须采取措施保证此换能器安装面与DVL安装面之间的角度精度。
四波束Janus配置的DVL采用前后两个相对应的换能器测量载体前向速度，左右两个对应的换能器测量载体侧向速度，因前后及左右两个换能器由于装配误差等原因，不可能保证各个坐标系与SINS坐标系之间的安装误差完全一致。通过合理设计换能器与DVL结构之间的装配余量及优化装配工艺保证前后换能器及左右换能器的声中心连线与各自换能器艏向夹角处于小角度(结合中等精度捷联惯导0.05°的航向精度及安装误差对SINS/DVL组合的导航定位误差的影响，小角度应设定为小于0.005°)。
SINS坐标系(如图3所示)通过SINS水平基准面和SINS方位基准映射至SINS结构体。其中SINS方位基准所确定平面的法线方向为SINS艏向，SINS水平基准面代表了OsXSYs确定的平面。
SINS坐标系与DVL坐标系的一致性通过与DVL坐标系对应的SINS安装面实现，如图5所示。通过结构约束使得SINS方位基准与DVL方位基准保持空间方向的一致性(线平行度误差为0.001°)，SINS水平基准与DVL水平基准保持空间方向的一致性(面平行度误差为0.001°)。
步骤2：工业CT扫描标定
工业CT可对装配完成的DVL内部不同材质之间几何尺寸的精确扫描分析，从而计算安装误差相关各坐标系间的对应关系，可通过工业CT扫描，复测四个换能器垂向轴与DVL坐标系之间的安装误差并在方案软件中补偿，鉴于SINS安装面与DVL安装面的平行度较高，二者之间的横摇角和纵摇角安装误差可忽略。
工业CT扫描复测步骤如下：
f)标定前将装配好的带有DVL基准、SINS基准及四个换能器的结构组件在工业CT扫描仪台面上固定好；
g)以SINS水平基准面及方位基准面为坐标基准，使用工业CT扫描仪复合陶瓷换能器，并计算出其垂向轴的矢量方向OtZti(i＝1,2,3,4)；
h)计算四个换能器矢量轴OtZti在DVL水平基准(面)上的投影与DVL水平坐标轴正向(ObYb，ObXb)之间的夹角α1,α2,β1,β2，各个角度定义如图5所示；
步骤3：标定结果补偿
因结构设计保证了SINS与DVL水平基阵之间的安装结构平行度，故可忽略一体化组合导航系统水平安装误差角对SINS/DVL组合导航精度的影响，仅使用步骤2计算得到的四个航向安装误差角补偿载体水平速度(忽略垂向速度)，由图5可知，DVL四个换能器所测的载体水平速度如8式所示：
Vd＝CdbVb……………………………(8)
其中：
Vd:四个换能器测量速度，包含四个速度分量；
Vy1,Vy2:艏艉向换能器测量速度；
Vx1,Vx2:左右向换能器测量速度；
Cdb:DVL坐标系到载体系安装误差补偿矩阵；
α1：DVL艏向换能器与SINS的Y轴正向安装误差角(锐角，Y轴右侧为正)；
α2：DVL艉向换能器与SINS的Y轴负向安装误差角(锐角，Y轴右侧为正)；
β1：DVL左向换能器与SINS的X轴正向安装误差角(锐角，X轴上侧为正)；
β2：DVL右向换能器与SINS的X轴负向安装误差角(锐角，X轴上侧为正)；
Vb:载体实际速度矢量，
Vy,Vx:载体Y向和X向实际速度。
由(26)式有：
按(8)式补偿的安装误差考虑到了不同换能器安装误差不同的影响，同时设计过程保证了航向安装误差角均为小角度，故(8)式得到的载体速度仍具备Janus配置DVL测速算法的优势。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，其特征在于，DVL采用四波束詹纳斯配置，包括如下步骤：
S1：安装误差相关坐标系映射结构设计；
S2：工业CT扫描标定；
利用工业CT对装配完成的DVL内部不同材质之间几何尺寸进行扫描分析，从而计算安装误差相关各坐标系间的对应关系，通过工业CT扫描，复测四个换能器垂向轴与DVL坐标系之间的安装误差，并在方案软件中补偿，由于SINS安装面与DVL安装面的平行度较高，所以忽略二者之间的横摇角和纵摇角安装误差；
步骤3：标定结果补偿，具体为：
DVL四个换能器所测的载体水平速度如下式所示：
Vd＝CdbVb
其中：
Vd为四个换能器测量速度，Vd包含四个速度分量；
Vy1,Vy2为艏艉向换能器测量速度；
Vx1,Vx2为左右向换能器测量速度；
Cdb为DVL坐标系到载体系安装误差补偿矩阵；
α1为DVL艏向换能器与SINS的Y轴正向安装误差角，α1为锐角，Y轴右侧为正；
α2为DVL艉向换能器与SINS的Y轴负向安装误差角，α2为锐角，Y轴右侧为正；
β1为DVL左向换能器与SINS的X轴正向安装误差角，β1为锐角，X轴上侧为正；
β2为DVL右向换能器与SINS的X轴负向安装误差角，β2为锐角，X轴上侧为正；
Vb为载体实际速度矢量，
Vy,Vx为载体Y向和X向实际速度；
按上式补偿的安装误差考虑到了不同换能器安装误差不同的影响，同时设计过程保证了航向安装误差角均为小角度。
2.根据权利要求1所述的SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，其特征在于：所述S1具体为：
将DVL坐标系与SINS坐标系映射至实体结构之中，与SINS/DVL安装误差相关的坐标系包括：换能器坐标系、DVL坐标系、SINS坐标系；在载体实际导航过程中，通过在DVL坐标系映射的安装面上设计DVL水平基准与载体系ObZb轴垂直，DVL方位基准与载体系ObXbYb面平行，保证载体坐标系与DVL坐标系一致；
SINS坐标系通过SINS水平基准面和SINS方位基准映射至SINS结构体，其中SINS方位基准所确定平面的法线方向为SINS艏向，SINS水平基准面代表了OsXSYs确定的平面；
SINS坐标系与DVL坐标系的一致性通过与DVL坐标系对应的SINS安装面实现，通过结构约束使得SINS方位基准与DVL方位基准保持空间方向的一致性，SINS水平基准与DVL水平基准保持空间方向的一致性。
3.根据权利要求1所述的SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法，其特征在于：工业CT扫描复测步骤如下：
a)标定前将装配好的带有DVL基准、SINS基准及四个换能器的结构组件在工业CT扫描仪台面上固定好；
b)以SINS水平基准面及方位基准面为坐标基准，使用工业CT扫描仪复合陶瓷换能器，并计算出其垂向轴的矢量方向OtZti(i＝1,2,3,4)；
c)计算四个换能器矢量轴OtZti在DVL水平基准上的投影与DVL水平坐标轴正向(ObYb，ObXb)之间的夹角α1,α2,β1,β2。
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