CN110823254A - 一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法 - Google Patents
一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，(1)获得双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系；(2)实现双轴转台的寻零；(3)根据对准测试的双轴转台转动要求及转台通讯协议及步骤(1)双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，控制转台的转动；(4)在惯导系统进入速率偏频工作状态后，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据；(5)将步骤(4)脉冲增量数据周期输入到速率偏频激光陀螺惯导系统对准接口，进行在线对准；(6)将步骤(5)在线对准的数据进行显示和保存。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，属于激光陀螺惯导系统测试技术领域。
背景技术
闭锁效应是激光陀螺的主要误差来源，成为激光陀螺惯导系统精度的主要影响因素。抖动偏频和速率偏频是控制激光陀螺惯导系统闭锁效应的有效方法。抖动偏频是利用交变的机械抖动，使得激光陀螺工作于锁区之外的时间占比高。速率偏频是加一个远大于锁区阈值的恒定角速率在激光陀螺敏感轴上，从而使得陀螺总的敏感角速率输出值大于锁区阈值。目前抖动偏频技术应用最为广泛，但是往复式的抖动会会引入随机游走误差，影响激光陀螺惯导系统对准精度。速率偏频技术克服了随机游走误差的影响，可以提高激光陀螺惯导系统的对准精度，目前该技术还处于测试验证阶段。
通过设计测试方法，提供速率偏频激励，验证速率偏频激光陀螺惯导系统的对准算法精度，针对速率偏频激光陀螺惯导系统的对准算法的验证，现有测试技术存在调试周期长，操作复杂，效率低等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，通过获得双轴转台与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的相对关系，进行转台通信与控制，完成对转台的转动控制，实现速率偏频，将采集的脉冲数据输入到速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法，实现速率偏频激光陀螺惯导系统的在线对准，降低了调试周期，简化了操作流程，提高了对准测试效率。
本发明解决的技术方案为：一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，步骤如下：
(1)根据速率偏频激光陀螺惯导系统的初始对准位置，获得双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系；
(2)根据双轴转台通讯协议，实现双轴转台的寻零；
(3)步骤(2)双轴转台寻零后，根据对准测试的双轴转台转动要求及转台通讯协议及步骤(1)双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，即惯导系统进入速率偏频工作状态；
(4)在惯导系统进入速率偏频工作状态后，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据；
(5)将步骤(4)脉冲增量数据周期输入到速率偏频激光陀螺惯导对准接口，进行在线对准解算，采集在线对准的数据
(6)将步骤(5)在线对准的数据进行保存和显示；
优选的，双轴转台，由内框、中框及内、外两个正交轴系组成，构成负载在空间两个方向的自由度。内框上安装工装，用作速率偏频激光陀螺惯导系统的安装基准。
优选的，双轴转台，内轴和外轴能够以恒定的角速率连续旋转。
优选的，速率偏频激光陀螺惯导系统，由本体、惯性器件、导航计算机和对准接口构成；
惯性器件安装在本体内，本体具有基准面，负责与双轴转台内框工装的安装定位，建立本体坐标系；
惯性器件包括3个激光陀螺和3个加速度计，3个激光陀螺正交安装，符合右手系法则，相对本体坐标系斜置安装；3个加速度计正交安装，符合右手系法则，与本体坐标系重合；
导航计算机按照采样周期T0完成对惯性器件脉冲数据的采集工作；
对准接口为速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法函数，函数输入参数为惯性器件脉冲数据，输出为姿态矩阵初值。
优选的，双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，具体为：导航坐标系与本体坐标系重合，双轴转台内轴平行于导航坐标系Y轴，双轴转台外轴平行于导航坐标系Z轴。
优选的，双轴转台通讯协议，作用是：上位机能够通过转台通信协议，发送控制指令，实现转台内、外轴的恒定速率正向或者反向转动。
优选的，双轴转台的寻零，具体为：上位机通过转台通讯协议发送寻零指令，转台运行初始工作零位并定位。
优选的，控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，具体为：激光陀螺斜置安装，双轴转台单轴恒速转动可以同时给三个激光陀螺提供偏频速率。
优选的，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的速率偏频激光陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据，其中一定周期T为：
T＝N*T0,T0为导航计算机采样和更新脉冲周期，N为>＝1的正整数。
优选的，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的速率偏频激光陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据，其中，惯性器件脉冲增量数据，包括：激光陀螺输入与本体固连的载体的角运动脉冲增量，加速度计输出本体固连的载体的线运动脉冲增量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过编写双轴转台控制软件控制转台转位，实现速率偏频，减少了由转位机构设计和转动程序开发的带来的时间和技术成本；
(2)本发明将转动软件和对准模块合并到惯组数据采集软件，实现在线对准，增加了测试效率和自动化程度；
(3)本发明能够实现多种转动模式下的对准试验，适应性强。
附图说明
图1为基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法实施流程。
图2为双轴转台结构与本体坐标系关系。
图3速率偏频激光陀螺惯导系统安装方式。
图4为双轴转台与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系对应关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，(1)根据速率偏频激光陀螺惯导系统的初始对准位置，获得双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系；(2)根据双轴转台通讯协议，实现双轴转台的寻零；(3)步骤(2)双轴转台寻零后，根据对准测试的双轴转台转动要求及转台通讯协议及步骤(1)双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，即惯导系统进入速率偏频工作状态；(4)在惯导系统进入速率偏频工作状态后，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据；(5)将步骤(4)脉冲增量数据周期输入到速率偏频激光陀螺惯导系统对准接口，进行在线对准；(6)将步骤(5)在线对准的数据进行显示和保存。
本发明一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法基于双轴转台结构，内轴固连内框，控制内框转动，外轴固连外框，控制外框转动；内外轴中心线交点为O点，内框工装基准面过O点与内轴中线垂直，建立转台坐标系O-XYZ，其中OY与内轴中线重合，OZ与外轴中线重合，O-XYZ符合右手系法则。双轴转台结构以及与转台坐标系对应关系如图2所示。
本发明一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，惯性器件安装方式如下，3个激光陀螺为了能够敏感双轴转台提供的偏频速率，相对本体坐标系斜置安装，以3个激光陀螺的敏感轴线建立正交坐标系为O-XqYqZq，O-XqYqZq与本体坐标系O-XYZ的对应关系优选为，
∠XOXq＝∠YOYq＝∠ZOZq＝54.736°；
安装方式示意图如图3所示。
本发明一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，特别针对速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法的验证，弥补现有技术存在的转动机构设计流程复杂，调试过程繁琐，测试周期长等不足，有效提升了速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法的验证效率。
如图1所示，本发明的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，优选步骤如下：
(1)本发明涉及的速率偏频激光陀螺惯导系统安装在内框工装，本体主体为长方体，安装基准面与内框工装基准面重合，建立本体坐标系与O-XYZ坐标系重合。采用天-东-北地理坐标系作为导航坐标系，OY轴正方向指向东，OZ轴正方向指向北，本发明涉及的对准算法采用本体初始位置天-东-北方位，获得双轴转台内、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统对准初始位置的对应关系，如图4所示，转台的内轴平行导航系于Y轴，即东向，转台的外轴平行于导航Z轴，即北向。
(2)根据双轴转台通讯协议，实现双轴转台的寻零，具体如下：本方法转台通讯采用422串口通信，上位机通过发送字符串“BEGIN”，在200ms内收到转台“BEGIN”回令，表示初始化正常。测试软件发送“ZERO”寻零操作，转台进入寻零流程，上位机发送“CHECK”指令，获取转台内、外轴角度值，值为“0.0000,0.0000”则表示寻零完成。
(3)步骤(2)双轴转台寻零后，根据对准测试的双轴转台转动要求及转台通讯协议及步骤(1)双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，即惯导系统进入速率偏频工作状态，其中内轴转动为本体东向输入速率偏频激励，外轴转动为本体北向输入速率偏频激励，具体如下：
转台转动参数的协议格式优选为“AXi＝XX，SDi＝XX，ACi＝XX”，其中i为0表示内轴参数，为1表示外轴参数，AX表示转轴转动行程，SD表示转速，AC表示角加速度。转台先设置参数，再启动转动，转动指令为“RUN＝XX”，RUN值为“01”表示内轴转动，为“10”表示外轴，为“11”表示内外轴同时转动；
优选方案为：速率偏频采用周期性正反方向旋转，实现激光陀螺的偏频，本方法涉及的一种速率偏频状态位内轴转速为60°/s，外轴转速为6°/s；转动模式为：内轴正转14400°，角加速度为20°/s2；外轴转速为6°/s，角加速度3°/s2，正转90°，静止90s，反转180°，静止90s，正转90°；
发送指令流程如下：
1)“AX0＝+14400.0000，SD0＝60.0000，AC0＝30.00”；//设置内轴参数
2)“AX1＝+90.0000，SD1＝6.0000，AC1＝3.00”；//设置外轴参数
3)“RUN＝11”；//内外轴同时转动
4)Sleep(105)；//延时105s＝15s转动时间+90s静止时间
5)“AX1＝-180.0000，SD1＝6.0000，AC1＝3.00”；//设置外轴参数，反转180度
6)“RUN＝10”；//启动外轴转动
7)Sleep(120)；//延时120s＝30s转动时间+90s静止时间
8)“AX1＝+90.0000，SD1＝6.0000，AC1＝3.00”；//设置外轴参数，正转90度
9)“RUN＝10”；//启动外轴转动
(4)在速率偏频激光陀螺惯导系统进入速率偏频工作状态后，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的惯性器件脉冲增量数据；本发明涉及导航计算机按照采样周期T0采集惯性器件脉冲增量数据并更新到计算机内存，上位机按照周期T获取导航计算机内存内脉冲增量数据并输入到对准算法进行运算，理想情况下优选T0＝T，考虑到对准算法计算工作量、存储空间和上位机采集传输耗时，T的取值优选扩大为T0的整数倍；
本发明涉及的对准算法迭代周期为Td＝0.005s(10倍T0)，导航计算机在T0时间内优选获取的脉冲增量数据6个unsigned int(4字节)型数据，字节长度为24；上位机采集通信速率为1Mb/s，机按照T＝0.005的采集周期采集双轴转台转动过程中的惯性器件脉冲增量数据，传输速率理想值优选为24/(0.005)＝38400b/s<1Mb/s，能够同时满足对准算法要求和传输速率要求，因此采集周期T＝0.005；
本发明涉及到的惯性器件脉冲增量数据包括：3个激光陀螺脉冲增量数据Wx、Wy、Wz，分别表征X、Y、Z方向激光陀螺在0.005s时间内敏感的角增量；3个加速度计脉冲增量数据Ax、Ay、Az，分别表征X、Y、Z方向加速度计在0.005s时间内敏感的速度增量。
(5)将步骤(4)脉冲增量数据周期输入到速率偏频激光陀螺惯导系统，进行在线对准，采集在线对准的数据，具体如下：
速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法接口函数输入参数共6个，依次Wx、Wy、Wz、Ax、Ay、Az，输出为本体坐标系相对导航坐标系的三次转角，即偏航角、俯仰角、横滚角；上位机优选每0.005s采集上述6个脉冲数据并调用对准算法接口函数，更新偏航角、俯仰角、横滚角。
(6)将步骤(5)在线对准的数据进行显示和保存，为了便于人员观察和内存管理，上位机显示周期和数据保存周期采用1s；设Cnt＝0，上位机优选每0.005采集一次惯性器件脉冲增量数据，每调用一次计数Cnt++，将当前周期内采集到的数据存入数组，优选方案为：当Cnt值为200时，Cnt清零，将数据输入到对准接口，进行运算和保存，进入下一个1s周期。其中0.005s定时采用中断服务程序和信号量的方式，中断服务程序每0.005s释放一次信号量，上位机通过获取信号量进行计数和惯性器件脉冲增量数据的采集，本发明采用基于C++的文件类QFile和文本文件数据流类QTextStream进行数据保存，代码逻辑优选如下：
本发明一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，已经为公司多个型号的速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法进行了测试验证。之前设计专门的转动机构实现速率偏频的方法，调试转动机构周期较长，自动化程度低，人为处理对准数据的效率较低。本发明基于双轴转台提供速率偏频激励，降低了调试周期，按照一定周期采集惯性器件脉冲增量数据，输入到对准算法接口，将对准数据进行显示和保存，用户只需要更换对准算法接口，便可以实现不同算法的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试，提高了测试效率。
Claims (10)
1.一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据速率偏频激光陀螺惯导系统的初始对准位置，获得双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系；
(2)根据双轴转台通讯协议，实现双轴转台的寻零；
(3)步骤(2)双轴转台寻零后，根据对准测试的双轴转台转动要求及转台通讯协议及步骤(1)双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，即惯导系统进入速率偏频工作状态；
(4)在惯导系统进入速率偏频工作状态后，按照一定周期采集双轴转台转动过程中的陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据；
(5)将步骤(4)脉冲增量数据周期输入到速率偏频激光陀螺惯导系统，进行在线对准，采集在线对准的数据；
(6)将步骤(5)在线对准的数据进行保存和显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：双轴转台，由内框、中框及内、外两个正交轴系组成，构成负载在空间两个方向的自由度；内框上安装工装，用作速率偏频激光陀螺惯导系统的安装基准。
3.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：双轴转台，内轴和外轴能够以恒定的角速率连续旋转。
4.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：速率偏频激光陀螺惯导系统，由本体、惯性器件、导航计算机和对准接口构成；
惯性器件安装在本体内，本体具有基准面，负责与双轴转台内框工装的安装定位，建立本体坐标系；
惯性器件包括3个激光陀螺和3个加速度计，3个激光陀螺正交安装，符合右手系法则，相对本体坐标系斜置安装；3个加速度计正交安装，符合右手系法则，与本体坐标系重合；
导航计算机按照采样周期T0完成对惯性器件脉冲数据的采集工作；
对准接口为速率偏频激光陀螺惯导系统对准算法函数，函数输入参数为惯性器件脉冲数据，输出为姿态矩阵初值。
5.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：双轴转台内轴、外轴与速率偏频激光陀螺惯导系统导航坐标系的对应关系，具体为：导航坐标系与本体坐标系重合，双轴转台内轴平行于导航坐标系Y轴，双轴转台外轴平行于导航坐标系Z轴。
6.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：双轴转台通讯协议，作用是：上位机能够通过转台通信协议，发送控制指令，实现转台内、外轴的恒定速率正向或者反向转动。
7.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：双轴转台的寻零，具体为：上位机通过转台通讯协议发送寻零指令，转台运行初始工作零位并定位。
8.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：控制转台的转动，从而提供速率偏频的激励，具体为：激光陀螺斜置安装，双轴转台单轴恒速转动可以同时给三个激光陀螺提供偏频速率。
9.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：按照一定周期采集双轴转台转动过程中的速率偏频激光陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据，其中一定周期T为：
T＝N*T0,T0为导航计算机采样和更新脉冲周期，N为>＝1的正整数。
10.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的速率偏频激光陀螺惯导系统对准测试方法，其特征在于：按照一定周期采集双轴转台转动过程中的速率偏频激光陀螺惯导系统的惯性器件脉冲增量数据，其中，惯性器件脉冲增量数据，包括：激光陀螺输入与本体固连的载体的角运动脉冲增量，加速度计输出本体固连的载体的线运动脉冲增量。
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