CN110849294B - 一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，其特征在于：包括1)转台结构与陀螺组件建模；2)转台旋转次序与模型；3)转台非正交度计算。本发明设计科学合理，在不使用光电自准直仪的条件下，使用三只光纤陀螺相互正交安装构建陀螺组件，基于陀螺组件实现转台转轴之间非正交度的测试，该技术通用性强，可以简单方便实现测试，而且不需拆装转台。

Description

一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法

技术领域

本发明属于惯性器件测试领域，涉及脱离光电自准直仪的测试设备，特别涉及一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法。

背景技术

随着导航技术的发展，转台作为一种测试仪器在惯性领域的使用越来越广泛，各类精密仪器的标定和性能测试等试验的准确性都依赖于转台的精度。转台各转轴之间的非正交度是转台精度一个非常重要的指标。

通常对转台的各转轴之间非正度的测试是通过架设光电自准直仪，在转轴上安装反射镜，使用光学的方法进行测试标校。在实际使用中，需要对转台外壳进行拆装，架设光电自准直仪也需要在转台周围具有合适的工作空间，整个过程操作复杂，所需时间也较长。

因此寻找一种测试精度高，简单方便而且易于操作的转台非正交度测试方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，在不使用光电自准直仪的条件下，使用三只光纤陀螺相互正交安装构建陀螺组件，基于陀螺组件实现转台转轴之间非正交度的测试，通用性强，可以简单方便实现测试，而且不需拆装转台。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，其特征在于：所述测试方法的步骤为：

1)转台结构与陀螺组件建模：

1、转台模型：建立转台模型并将转台结构分为外框方位、中框俯仰及内框横滚，并根据上述结构分别建立转台外框坐标系T1，中框坐标系T2，内框坐标系T3,陀螺三轴坐标系g系，其中g系是非正交坐标系；

从T1向T2转换，存在存在中框转轴与理想中框轴的夹角θ_y1和θ_z1，以及中框本身构建的水平面与外框旋转平面关于中框转轴的旋转角度，设为α₀，那么从T1系向T2系转换如下：

从T2向T3转换，存在存在内框轴与理想内框轴的夹角θ_x2和θ_z2，以及内框本身构建的水平面与中框平面关于内框转轴的旋转角度，设为β₀，那么从T2系向T3系转换如下：

2、陀螺组件模型:

单只陀螺的参数包括标度因数、零位偏置及敏感轴偏置角度，由三只陀螺构成的陀螺组件模型参数为12个，包括陀螺标度因数Kgx，Kgy，Kgz,陀螺安装偏角Ugxy，Ugxz，Ugyx，Ugyz，Ugzx，Ugzy，陀螺零偏Bgx0，Bgy0，Bgz0；

陀螺组件的数学模型如下：

其中：ω_x,ω_y,ω_z分别为三个相互正交坐标轴上的角速度输入；

N_gx，N_gy，N_gz分别为三个陀螺脉冲数输出；

2)转台旋转次序与模型

将步骤1)中的陀螺组件安装到三轴转台上，预先定义的X，Y和Z轴分别和转台的中框、内框和外框平行，旋转顺序依次为：

1、转台外框、中框、内框归零，Z轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

2、中框转至90°，外框、内框归零，Y轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3、内框转至270°，外框、中框归零，X轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

4、中框转至180°，外框、内框归零，Z轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

5、中框转至270°，外框、内框归零，Y轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

6、内框转至90°，外框、中框归零，X轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3)转台非正交度计算

结合步骤1)、2)，将求解出的三个陀螺标度因数带入可求出如下变量，见表1：

表1

各轴指天	各轴指地
		U<sub>gxy</sub>+θ<sub>z2</sub>-θ<sub>y1</sub>	U<sub>gxy</sub>+θ<sub>z2</sub>+θ<sub>y1</sub>
U<sub>gxz</sub>-β<sub>0</sub>-θ<sub>y1</sub>	U<sub>gxz</sub>-β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>
		U<sub>gyx</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>	U<sub>gyx</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>
U<sub>gyz</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>	U<sub>gyz</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>
		U<sub>gzx</sub>+β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>	U<sub>gzx</sub>+β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>
U<sub>gzy</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>	U<sub>gzy</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>

由此，可以进一步确定以下变量的值：

U_gxy+θ_z2，θ_y1，U_gxz-β₀，U_gyx，θ_x2+α₀，U_gyz，U_gzx+β₀，U_gzy

同时，由于三个坐标轴的两两之间不正交度的关系，只有三个自由度，因此还具备如下约束条件：

U_gxy+U_gyx＝A

U_gxz+U_gzx＝B

U_gyz+U_gzy＝C

其中：A、B、C对于同一套陀螺组件是固定值，可以事先标定精确得到，进一步可以确认变量θ_z2的值，因此可计算出转台转轴之间的不正交角为：θ_y1，θ_x2+α₀，θ_z2，其中θ_x2与α₀耦合。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，在不使用光电自准直仪的条件下，使用三只光纤陀螺相互正交安装构建陀螺组件，基于陀螺组件实现转台转轴之间非正交度的测试，该技术通用性强，可以简单方便实现测试，而且不需拆装转台。

附图说明

图1为本发明的转台结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，三只光纤陀螺的敏感轴两两之间相互正交安装在结构体上，组成一个可以敏感三个轴向角速率信息的陀螺组件，将陀螺组件安装到待测试转台上。建立陀螺组件和转台的数学模型，根据转台非正交度误差数学模型，设计旋转顺序，控制转台旋转，采集三只陀螺输出的角速率信息，利用采集到的陀螺角速率信息，计算出转台转轴之间的非正交度。

一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，其特征在于：所述测试方法的步骤为：

1)转台结构与陀螺组件建模：

1、转台模型：建立转台模型并将转台结构分为外框方位、中框俯仰及内框横滚，并根据上述结构分别建立转台外框坐标系T1，中框坐标系T2，内框坐标系T3,陀螺三轴坐标系g系，其中g系是非正交坐标系；

从T1向T2转换，存在存在中框转轴与理想中框轴的夹角θ_y1和θ_z1，以及中框本身构建的水平面与外框旋转平面关于中框转轴的旋转角度，设为α₀，那么从T1系向T2系转换如下：

从T2向T3转换，存在存在内框轴与理想内框轴的夹角θ_x2和θ_z2，以及内框本身构建的水平面与中框平面关于内框转轴的旋转角度，设为β₀，那么从T2系向T3系转换如下：

2、陀螺组件模型:

单只陀螺的参数包括标度因数、零位偏置及敏感轴偏置角度，由三只陀螺构成的陀螺组件模型参数为12个，包括陀螺标度因数Kgx，Kgy，Kgz,陀螺安装偏角Ugxy，Ugxz，Ugyx，Ugyz，Ugzx，Ugzy，陀螺零偏Bgx0，Bgy0，Bgz0；

陀螺组件的数学模型如下：

其中：ω_x,ω_y,ω_z分别为三个相互正交坐标轴上的角速度输入；

N_gx，N_gy，N_gz分别为三个陀螺脉冲数输出；

2)转台旋转次序与模型

将步骤1)中的陀螺组件安装到三轴转台上，预先定义的X，Y和Z轴分别和转台的中框、内框和外框平行，旋转顺序依次为：

1、转台外框、中框、内框归零，Z轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

2、中框转至90°，外框、内框归零，Y轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3、内框转至270°，外框、中框归零，X轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

4、中框转至180°，外框、内框归零，Z轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

5、中框转至270°，外框、内框归零，Y轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

6、内框转至90°，外框、中框归零，X轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3)转台非正交度计算

结合步骤1)、2)，将求解出的三个陀螺标度因数带入可求出如下变量，见表1：

表1

各轴指天	各轴指地
		U<sub>gxy</sub>+θ<sub>z2</sub>-θ<sub>y1</sub>	U<sub>gxy</sub>+θ<sub>z2</sub>+θ<sub>y1</sub>
U<sub>gxz</sub>-β<sub>0</sub>-θ<sub>y1</sub>	U<sub>gxz</sub>-β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>
		U<sub>gyx</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>	U<sub>gyx</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>
U<sub>gyz</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>	U<sub>gyz</sub>+θ<sub>x2</sub>+α<sub>0</sub>
		U<sub>gzx</sub>+β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>	U<sub>gzx</sub>+β<sub>0</sub>+θ<sub>y1</sub>
U<sub>gzy</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>	U<sub>gzy</sub>-θ<sub>x2</sub>-α<sub>0</sub>

由此，可以进一步确定以下变量的值：

U_gxy+θ_z2，θ_y1，U_gxz-β₀，U_gyx，θ_x2+α₀，U_gyz，U_gzx+β₀，U_gzy

同时，由于三个坐标轴的两两之间不正交度的关系，只有三个自由度，因此还具备如下约束条件：

U_gxy+U_gyx＝A

U_gxz+U_gzx＝B

U_gyz+U_gzy＝C

其中：A、B、C对于同一套陀螺组件是固定值，可以事先标定精确得到，进一步可以确认变量θ_z2的值，因此可计算出转台转轴之间的不正交角为：θ_y1，θ_x2+α₀，θ_z2，其中θ_x2与α₀耦合。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于光纤陀螺的转台非正交度测试方法，其特征在于：所述测试方法的步骤为：

1)转台结构与陀螺组件建模：

1、转台模型：建立转台模型并将转台结构分为外框方位、中框俯仰及内框横滚，并根据上述结构分别建立转台外框坐标系T1，中框坐标系T2，内框坐标系T3,陀螺三轴坐标系g系，其中g系是非正交坐标系；

从T1向T2转换，存在中框转轴与理想中框轴的夹角θ_y1和θ_z1，以及中框本身构建的水平面与外框旋转平面关于中框转轴的旋转角度，设为α₀，那么从T1系向T2系转换如下：

从T2向T3转换，存在内框轴与理想内框轴的夹角θ_x2和θ_z2，以及内框本身构建的水平面与中框平面关于内框转轴的旋转角度，设为β₀，那么从T2系向T3系转换如下：

2、陀螺组件模型:

单只陀螺的参数包括标度因数、零位偏置及敏感轴偏置角度，由三只陀螺构成的陀螺组件模型参数为12个，包括陀螺标度因数Kgx，Kgy，Kgz,陀螺安装偏角Ugxy，Ugxz，Ugyx，Ugyz，Ugzx，Ugzy，陀螺零偏Bgx0，Bgy0，Bgz0；

陀螺组件的数学模型如下：

其中：ω_x,ω_y,ω_z分别为三个相互正交坐标轴上的角速度输入；

N_gx，N_gy，N_gz分别为三个陀螺脉冲数输出；

2)转台旋转次序与模型

将步骤1)中的陀螺组件安装到三轴转台上，预先定义的X，Y和Z轴分别和转台的中框、内框和外框平行，旋转顺序依次为：

1、转台外框、中框、内框归零，Z轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

2、中框转至90°，外框、内框归零，Y轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3、内框转至270°，外框、中框归零，X轴指天，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

4、中框转至180°，外框、内框归零，Z轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

5、中框转至270°，外框、内框归零，Y轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

6、内框转至90°，外框、中框归零，X轴指地，外框按照角速率±ω转动整圈，对应的陀螺组件输出为：

3)转台非正交度计算

结合步骤1)、2)，将求解出的三个陀螺标度因数带入可求出如下变量，见表1：

表1

由此，可以进一步确定以下变量的值：

U_gxy+θ_z2，θ_y1，U_gxz-β₀，U_gyx，θ_x2+α₀，U_gyz，U_gzx+β₀，U_gzy

同时，由于三个坐标轴的两两之间不正交度的关系，只有三个自由度，因此还具备如下约束条件：

U_gxy+U_gyx＝A

U_gxz+U_gzx＝B

U_gyz+U_gzy＝C

其中：A、B、C对于同一套陀螺组件是固定值，可以事先标定精确得到，进一步可以确认变量θ_z2的值，因此可计算出转台转轴之间的不正交角为：θ_y1，θ_x2+α₀，θ_z2，其中θ_x2与α₀耦合。

Images