CN111006686B - 一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法，该方法将待测试的三轴加速计固联到带温箱的三轴转台上；温箱的温度变化分为n段，并逐渐递减，n为正整数；其中，第1段为保温段，第2到第n段为测试段，每个测试段都由变温段和温度不变的过渡段组成；在每个过渡段，令三轴加速计按照设定的位置转动，根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏。本发明能够缩短试验时间，而且考虑加速计大深度下潜过程中温度下降的过程，从而保证惯导中三轴加速计零偏测试的准确性。

Description

一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法
技术领域
本发明涉及加速计零偏测试技术领域，具体涉及一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法。
背景技术
在自主式水下潜器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)执行下潜任务时，其下潜过程为：AUV预热2小时左右，然后大深度螺旋下潜，下潜深度超过6000米，下潜时间4小时左右，然后再执行长时间海底探测任务。AUV在下潜过程中没有全球导航卫星系统(GNSS)和DVL(多普勒测速仪)传感器等传感器组合，仅依靠光纤捷联惯性导航系统单独工作，即工作在纯惯性导航状态。惯导系统对准完成后，理论上惯导的水平姿态精度取决于加速度计零偏估计误差。
AUV在螺旋下潜过程中，捷联惯性导航系统的温度先上升后下降，最后趋于稳定，同时涉及到不同的位置方向，都会对加速计零偏产生影响。综上对于大深度AUV所用的加速度计零偏各项异性要进行严格的筛选并进行温度补偿。
在已有的文献中有关于加速度计零偏的计算方法和零偏温度拟合补偿方法，相对于单个加速度计温场分布均匀，惯导的三个加速度计温场分布更为复杂。文献1(FOG捷联惯导系统误差标定和误差补偿技术研究，哈尔滨工程大学，2006，罗超，22页)、专利1(一种捷联惯导系统零位标定方法CN 103234560 B)和专利2(一种MEMS陀螺仪g值敏感系数的标定方法CN 106705995 A)中均提到计算零偏的方法，分别是加速度计的轴朝向不同方向然后计算均值，只考虑了加速度计零偏的安装误差，并且默认加速度计零偏不随位置朝向发生变化，也没有考虑温度变化对其影响。然而通过24位置标定试验计算，零偏一致性差的加速度计在不同朝向的零偏误差较大。
专利3(一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法CN106595710A)所公开的方案，针对冷态启动、快速导航的应用条件，进行冷态启动的测试，只考虑了升温对零偏的影响，试验过程没有考虑温度下降的变温过程。试验时间长，至少需要56小时。
专利4(一种高精度石英加速度计的温控装置及其温控方法，CN108363430A)采用的是三个互相正交的石英加速度计，表壳外部分别贴上升温的加热片及温度传感器，表壳内部也分别贴上温度传感器，并用隔热罩隔绝外部环境的热交换，采用壳级温控及芯片温补的技术方案。该方案采用了隔热罩，隔热罩虽然隔绝外部温度的影响，但是加速度计自身的热量也无法传导出去。而且，采用内外表壳贴温度传感器的方案，也降低了惯导的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法，能够缩短试验时间，而且考虑加速计大深度下潜过程中温度下降的过程，从而保证惯导中三轴加速计零偏测试的准确性。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法，包括：
将待测试的三轴加速计固联到带温箱的三轴转台上；温箱的温度变化分为n段，并逐渐递减，n为正整数；其中，第1段为保温段，第2到第n段为测试段，每个测试段都由变温段和温度不变的过渡段组成；
在每个过渡段，令三轴加速计按照设定的位置转动，根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏。
优选地，所述温箱的温度变化范围为10℃～40℃。
优选地，所述变温段的温度呈线性变化。
优选地，所述温箱的温度变化分为4段；保温段维持在30℃并持续2小时；第一测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在17℃并维持1小时；第二测试段中，变温段持续2小时，过渡段温度保持在10℃并维持2小时；第三测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在0℃并维持2小时。
优选地，在每个过渡段，三轴转台内框、中框和外框依次转动到如下位置处：
将三轴转台进行初始转动到达初始位置，所述初始转动包含12次，从每个初始位置开始，外框依次转动0°、90°、180°、270°四个角度，每次转动到位均静止设定时长，分别记录三个加速计的输出值；
在12次初始转动中三个加速计的转动角度分别为：(0°，0°，0°)、(180°，180°，0°)、(0°，180°，0°)、(180°，0°，0°)、(0°，90°，0°)、(180°，270°，0°)、(0°，270°，0°)、(180°，90°，0°)、(90°，0°，0°)、(270°，180°，0°)、(270°，0°，0°)、(90°，180°，0°)；
其中，三轴加速计中三个加速计与三轴转台三框的对应关系为：加速计X对应中框，加速计Y对应内框，加速计Z对应外框。
优选地，所述根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏为：
每个过渡段分别采用如下公式计算三轴加速计的零偏值：
Figure BDA0001863320410000031
其中，M为一个过渡段所设计的转动位置的数量；Kx0、Ky0、Kz0为X、Y、Z加速计的零偏，Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)分别为第i个转动位置处，三轴加速计三个轴的输出数据。
优选地，所述根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏之后，该方法进一步包括：
判断三轴加速计的零偏一致性：每个过渡段均计算出三轴的零偏值，将同轴、不同温度下的零偏值进行对比，同时将不同轴、同温度和不同温度下的零偏值进行对比，所对比的每两个数值的差异均在设定范围内，则确定加速计零偏一致性满足要求。
优选地，确定三轴加速计零偏一致性满足要求后，进一步利用如下公式对三轴加速计的三轴零偏与温度之间的关系进行拟合，获得拟合公式中的拟合参数：
Kx0＝dx0+T1dx1+T1 2dx2+(T1-T2)dx3+(T1-T3)dx4+(T1-T2)2dx5+(T1-T3)2dx6
Ky0＝dy0+T1dy1+T1 2dy2+(T1-T2)dy3+(T1-T3)dy4+(T1-T2)2dy5+(T1-T3)2dy6
Kz0＝dz0+T1dz1+T1 2dz2+(T1-T2)dz3+(T1-T3)dz4+(T1-T2)2dz5+(T1-T3)2dz6
其中，Dx0、Dy0、Dz0分别为三轴加速计中加速计X、加速计Y、加速计Z的零偏，数据拟合时代入根据三轴加速计输出数据计算出的零偏；T1、T2、T3为三轴加速计中加速计X、加速计Y、加速计Z的温度测量值；dx0～dx6、dy0～dy6、dz0～dz6为拟合公式中的拟合参数；
在实际下潜过程中，将实时温度T1、T2、T3代入所述拟合公式，获得温度补偿后的三轴加速计实时零偏。
优选地，所述温度测量值T1、T2、T3采用三轴加速计所在惯性导航系统中三轴陀螺的温度传感器测量。
优选地，对三轴加速计的三轴零偏与温度之间的关系进行拟合时，针对各个测试段进行分段拟合。
有益效果：
(1)本发明控制温箱温度梯度变化，每一测试段均由定温和变温过程，且仅在测试段的定温段测量数据，使得在AUV螺旋下潜的过程中，三轴加速计的温度是先上升后下降，这样获得零偏数据更加准确。其不仅有利于拟合零偏的温度曲线，也能够更严苛的挑选零偏一致性较好的加速计。而且，温箱的温度变化曲线采用阶梯图，便于利用高低温箱模拟外界环境，减小高低温箱的调整难度。此外，本发明并没有加隔热罩，主要原因是隔热罩虽然隔绝外部温度的影响，加速度计自身的热量也无法传导出去。
(2)本发明将试验温度设定为10℃～40℃，其优势在于全温定点温度范围小，这样试验时间大大缩短。只需11小时，节约试验成本。同时不需要低温启动惯导，延长了加速计使用寿命。
(3)阶梯之间的温度变化呈线性变化，体现出温度平均变化率，使得加速计的温度变化更加符合实际情况。
(4)本发明计算的加速度零偏不依赖于其它参数，只和输出的均值有关，保证转台转动静止的位置对称来消除转台的误差带来的影响。
(5)本发明提供了一种加速计姿态的变化顺序，能够以最短的时间获得最全面的角度覆盖。
(6)本发明针对满足各项异性一致的加速计进一步拟合获得零偏与温度之间的关系，该关系式不仅考虑加速计自身的温度变化，还考虑了惯导空间内部温场的变化，即将其它两只加速计的温度变化作为惯导空间内部温场的变化的观测值，但这两个加速计温度值对另一只加速计零偏的影响是个小量，考虑为差值，更符合实际。
(7)本发明加速度计的温补数据采用的是陀螺的温度传感器输出值，这是因为市面上的加速度计并不具备输出温度数值功能。在设计结构时，保证三只陀螺靠近对应三个加速度计，这样既不增加传感器数量，又保证惯导的可靠性。
附图说明
图1为AUV螺旋多次下潜时惯导温度随时间变化的曲线。
图2为本发明设计的温箱温度变化曲线。
具体实施方式
AUV在下潜过程中，其自身温度变化复杂，通过多次下潜试验，确定加速计温度变化规律是先上升后下降。如图1所示，虽然海水温度日变化很小，但随着深度的增加，水温逐渐下降(每下降1000m，约下降1℃～2℃)。在水深1000m处，温度达到4℃～5℃；在水深2000m处；温度达到2℃～3℃，在水深3000m处，温度达到1℃～2℃。因此AUV螺旋下潜时，外界温度是逐渐降低的。
通过图1可以看出两点。
一是加速计所在惯导在船上预热2小时左右后，随后开始下潜，加速计的温度在前两小时变化剧烈。如图所示，加速计温度先上升，这是因为惯导外壳较厚，使得惯导产生的热量没有散出去，因此升温。随着下潜深度增加，海水温度持续降低，加速计的温度也在下降。在第1小时达到最高点接近39℃左右，温度平均变化率0.15℃/min。随后温度下降，在第2小时，温度下降到19℃左右，温度平均变化率0.33℃/min。在第3小时，温度下降到17℃左右，温度平均变化率0.03℃/min。在第4小时基本稳定在12℃左右，温度平均变化速率为零。
那么通过控制高低温箱的温度变化曲线，使加速计输出的温度曲线趋势与图1相符，可以为模拟提供更加逼真的温度环境。因此本发明在测试时，温箱的控制测量包括如下几点：
(1)不在前两小时进行数据测量，而是在加速计工作较为稳定后进行数据测量，从而保证所获数据的有效性；
(2)为便于利用高低温箱模拟外界环境，减小高低温箱的调整难度，具体的高低温箱的温度变化曲线采用阶梯图，如图2所示，阶梯之间采用温度平均变化率进行过度。这样高低温箱的温度变化包含了定温和变温过程，通过控制温箱的定温与变温模拟深海温度变化趋势；
(3)仅在定温段进行数据获取，从而将温度变化对加速计零偏的影响降到最低；而且定温段的设定也是要给温箱温度变化一定的反应时间。
通过上述设计，使得在AUV螺旋下潜的过程中，加速计的温度是先上升后下降，这样不仅有利于拟合零偏的温度曲线，也能够更严苛的挑选零偏一致性较好的加速计。
二是通过图1的曲线可以看出，惯导的实际温度变化范围在10℃～40℃，基本在室温的环境下。因此，本发明将温箱温度变化范围限制在10℃～40℃，减少了全温定点范围。而文献2全温定点范围从-30℃～60℃，文献3中全温定点范围从-40℃～50℃。本发明将试验温度设定为10℃～40℃，其优势在于全温定点温度范围小，这样试验时间大大缩短。只需11小时，节约试验成本。同时不需要低温启动惯导，延长了加速计使用寿命。
基于上述两点的分析，本发明提供的一种优选温箱温度变化曲线如图2所示，其包含n＝4段。第一段为保温段，维持在30℃并持续2小时；第2到第4段为测试段，每个测试端都由温度线性变化的变温段和温度不变的过渡段组成，具体为：第一测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在17℃并维持1小时；第二测试段中，变温段持续2小时，过渡段温度保持在10℃并维持2小时；第三测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在0℃并维持2小时。
此外，考虑到位置方向和温度对加速度计零偏的双重影响，只考虑位置时，穷尽所有位置方向是不可能实现的，但通过多个对称位置进行测试是可行的，需要尽可能多的位置，同时需要考虑转台旋转的误差。具体思路是在水平面内四等分，水平位置方向分别为0°、90°、180°、270°，间隔90°；在竖直方向，竖直位置方向分别为0°(朝天)、90°、180°(朝地)、270°，间隔90°。
理论上加速度计朝天朝地时为当地的重力加速度或其相反数，加速度计水平时，重力加速度为零。那么只需要将加速度计分别朝天朝地及水平方向。上述办法并没有考虑转台本身误差。
考虑转台的对称误差，在Z加速度计朝天时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝1,2,3,4)。然后，分别转动内框和中框，转动量为180°，Z加速计不转动，此时由于内框和中框的转动，Z加速度计仍然朝天，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝5,6,7,8)；在Z加速度计朝地时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝1,2,3,4)，(i＝9,10,11,12)。然后分别转动内框和中框，转动量为180°，此时Z加速度计仍然朝地，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝13,14,15,16)。共计16个位置。
在X加速度计朝天时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝17,18,19,20)。然后分别转动内框和中框，转动量为180°，Z加速计不转动，此时X加速度计仍然朝天，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝21,22,23,24)。在X加速度计朝地时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝25,26,27,28)。然后分别转动内框和中框，转动量为180°，此时X加速度计仍然朝地，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝29,30,31,32)。共计16个位置。
在Y加速度计朝天时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝33,34,35,36)。然后分别转动内框和中框，转动量为180°，此时Y加速度计仍然朝天，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝37,38,39,40)。在Y加速度计朝地时，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝41,42,43,44)。然后分别转动内框和中框，转动量为180°，此时Y加速度计仍然朝地，以该状态为初始位置，外框依次转动四个角度，输出为Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)，(i＝45,46,47,48)。共计16个位置。
按照上述顺序完成上述位置方向的转动，每个位置静止2分钟录数，共获得48个位置的输出数据。分别将XYZ加速度计的输出，各个方向的分别相加。即：
Figure BDA0001863320410000091
通过对称位置相加及转台的内框和中框转动180°，这样就可以消除转台本身的误差。
表1为加速度计各个位置时的理论输出值，利用该表1的内容可以计算加速度计零偏。
表1
<![CDATA[A<sub>x</sub>]]> <![CDATA[A<sub>y</sub>]]> <![CDATA[A<sub>z</sub>]]>
Z轴朝上 0 0 g
Z轴朝下 0 0 -g
Y轴朝上 0 g 0
Y轴朝下 0 -g 0
X轴朝上 g 0 0
X轴朝下 -g 0 0
注g表示当地重力加速度。Ax，Ay，Az分别代表加速度计增量。
首先，确定标定误差模型为：
Figure BDA0001863320410000092
其中，Nax、Nay、Naz为三轴加速计的一组输出值，Kax,Kay,Kaz分别为X，Y，Z加速计的标度因数，Ax，Ay，Az分别代表加速度计增量，Eaxz,Eaxy分别为敏感Ay,Az的安装误差角，Eayz,Eayx为敏感Ax,Az的安装误差角，Eazy,Eazx为敏感Ax,Ay安装误差角，Kx0，Ky0，Kz0为X，Y，Z加速计的零偏。
利用表1可知将Ax，Ay，Az各列相加，和值为零，即
Figure BDA0001863320410000101
Figure BDA0001863320410000102
将加速计输出值Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)带入标定误差模型：
Figure BDA0001863320410000103
各列相加计算：
Figure BDA0001863320410000104
24列相加后
Figure BDA0001863320410000105
则上式可转为：
Figure BDA0001863320410000106
可见，经过转化，三轴加速计零偏Kx0、Ky0、Kz0只与测试过程中的三轴加速计输出均值相关。因此公式(1)中的各种参数未知时也可计算加速度计的零偏，由于上述参数的计算依赖于转台的精度，这样就消除了转台误差带来的影响。
下面对本发明的具体实现过程进行详细描述。
步骤一、在不同温度、不同姿态下，获得三轴加速计的输出数据。
本步骤中，将三轴加速计所在的惯导固联到带温箱的三轴转台上，对应惯导坐标系o-XYZ到东北天(相当加速计坐标系对应到东北天)。三轴加速计包括三个加速计，分别为X加速计、Y加速计和Z加速计。这里，X加速计对应中框，Y加速计对应内框，Z加速计对应外框。
按照图2，控制温箱温度变化。在第3小时到第4小时，在第6小时到第8小时，在第9小时到第11小时分别重复如下三轴转台的转动操作，包括步骤101～112：
步骤101、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(0°，0°，0°)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤102、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(180°，180°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤103、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(0，180°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤104、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(180°，0，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤105、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(0，90°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤106、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(180°，270°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤107、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(0，270°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤108、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(180°，90°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤109、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(90°，0°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤110、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(270°，180°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤111、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(270°，0，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
步骤112、三轴转台的内框、中框、外框分别转动角度(90°，180°，0)，到达初始位置。从初始位置开始，外框依次转动四个角度，分别为0°、90°、180°、270°，每个位置静止2分钟，并分别记录三个加速计的输出值。
上述转动过程中每个框均以10°/s角速率转动，并实时记录加速计输出数据。上述测试顺序，能够以最短的时间获得最全面的角度覆盖。
步骤二、计算加速计零偏
本步骤针对每个过渡段，根据公式(3)，利用加速计输出数据均值可以简单的获得加速计三轴的零偏Kx0、Ky0、Kz0。
步骤三、根据步骤二获得的零偏，可以确定加速计各轴零偏是否一致。
每个过渡段均计算出一组三轴零偏值。将同轴、不同温度下的零偏值两两进行对比，同时将不同轴、同温度和不同温度下的零偏值进行两两对比，所对比的每两个数值的差异均在设定范围内，则确定加速计各项异性一致。在本实施例中，共有3个过渡段，则获得三组零偏Kx0、Ky0、Kz0，共9个数据，则这9个数据两两进行差值计算，所有差值均在设定范围内，则确定零偏一致符合要求。这种比对方式比较苛刻。
对于加速计各项零偏一致的情况，继续进行步骤四的温度补偿。如果不满足零偏一致的要求，则更换加速计重新进行测试。
步骤四、拟合加速计零偏温补曲线
AUV实际下潜过程中，会利用零偏进行加速计输出的补偿。该零偏可以采用公式(3)确定出的输出均值，且固定不变。但更精确的来说，Kx0、Ky0、Kz0并不是定值，而是关于温度的函数。因此本发明在选定了零偏各项异性一致的加速计后，进一步确定各轴零偏与温度的关系曲线，在AUV实际下潜过程中使用。
为了获得零偏与温度的关系，需要采集加速计的温度。可以为加速计设置温度传感器，但实际上，市面上的加速度计并不具备输出温度数值功能，因此也可以借用加速度所在惯导中陀螺的温度传感器输出值。在设计结构时，保证三只陀螺靠近对应三个加速度计，这样既不增加传感器数量，又保证惯导的可靠性。
用于感测X、Y、Z加速计温度的温度传感器测量温度，分别记为T1，T2，T3。由于加速计所在惯导的温场比加速计的温场复杂，这时惯导空间内部的温场分布并不均匀。除了考虑加速计自身的温度变化，也要考虑惯导空间内部温场的变化。即将其它两只加速计的温度变化作为惯导空间内部温场的变化的观测值，但这两个加速计温度值对另一只加速计零偏的影响是个小量，考虑为差值，更符合实际。因此：
X轴加速计零偏与温度的拟合关系式设计为：
Kx0＝dx0+T1dx1+T1 2dx2+(T1-T2)dx3+(T1-T3)dx4+(T1-T2)2dx5+(T1-T3)2dx6   (4)
Y轴加速计零偏与温度拟合关系式设计为：
Ky0＝dy0+T1dy1+T1 2dy2+(T1-T2)dy3+(T1-T3)dy4+(T1-T2)2dy5+(T1-T3)2dy6   (5)
Z轴加速计零偏与温度拟合关系式设计为：
Kz0＝dz0+T1dz1+T1 2dz2+(T1-T2)dz3+(T1-T3)dz4+(T1-T2)2dz5+(T1-T3)2dz6   (6)
其中，dx0～dx6、dy0～dy6、dz0～dz6为拟合公式中的待求的拟合参数。
一种实施方式中，三个测试段采用一段拟合曲线。则由于三轴具有零偏一致性，因此上述拟合公式中的Kx0、Ky0、Kz0可以采用任意一测试段的数据，也可以采用三个测试段的数据均值。上述拟合公式中的T1、T2、T3可以在三个过渡段中进行测量获得。将Kx0、Ky0、Kz0、T1，T2，T3代入上述拟合公式，可以获得三个公式的拟合参数。
另一种更优的实施方式是，由于各个测试段所针对的外界温度段不同，且具有不同的斜率，则可以分段进行拟合。那么每个测试段将获得一组拟合参数。在使用时，针对外界环境温度，选择对应分段的拟合参数获得实时零偏值。
步骤五、实时温度补偿
在AUV实际下潜过程中，采用温度传感器采集三轴传感器的实际温度T1、T2、T3，将实时温度T1、T2、T3代入上述拟合公式(4)(5)(6)，在已知拟合参数的基础上，获得实时的三轴加速计零偏Kx0、Ky0、Kz0。如果是分段拟合，则根据当前海水环境温度，选择对应分段的拟合参数，计算三轴加速计零偏Kx0、Ky0、Kz0。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大深度下潜三轴加速计的零偏测试方法，其特征在于，包括：
将待测试的三轴加速计固联到带温箱的三轴转台上；温箱的温度变化分为n段，并逐渐递减，n为正整数；其中，第1段为保温段，第2到第n段为测试段，每个测试段都由变温段和温度不变的过渡段组成；
在每个过渡段，令三轴加速计按照设定的位置转动，根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏；
所述根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏之后，该方法进一步包括：
判断三轴加速计的零偏一致性：每个过渡段均计算出三轴的零偏值，将同轴、不同温度下的零偏值进行对比，同时将不同轴、同温度和不同温度下的零偏值进行对比，所对比的每两个数值的差异均在设定范围内，则确定加速计零偏一致性满足要求；
确定三轴加速计零偏一致性满足要求后，进一步利用如下公式对三轴加速计的三轴零偏与温度之间的关系进行拟合，获得拟合公式中的拟合参数：
Kx0＝dx0+T1dx1+T1 2dx2+(T1-T2)dx3+(T1-T3)dx4+(T1-T2)2dx5+(T1-T3)2dx6
Ky0＝dy0+T1dy1+T1 2dy2+(T1-T2)dy3+(T1-T3)dy4+(T1-T2)2dy5+(T1-T3)2dy6
Kz0＝dz0+T1dz1+T1 2dz2+(T1-T2)dz3+(T1-T3)dz4+(T1-T2)2dz5+(T1-T3)2dz6
其中，Dx0、Dy0、Dz0分别为三轴加速计中加速计X、加速计Y、加速计Z的零偏，数据拟合时代入根据三轴加速计输出数据计算出的零偏；T1、T2、T3为三轴加速计中加速计X、加速计Y、加速计Z的温度测量值；dx0～dx6、dy0～dy6、dz0～dz6为拟合公式中的拟合参数；
在实际下潜过程中，将实时温度T1、T2、T3代入所述拟合公式，获得温度补偿后的三轴加速计实时零偏。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温箱的温度变化范围为10℃～40℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变温段的温度呈线性变化。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温箱的温度变化分为4段；保温段维持在30℃并持续2小时；第一测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在17℃并维持1小时；第二测试段中，变温段持续2小时，过渡段温度保持在10℃并维持2小时；第三测试段中，变温段持续1小时，过渡段温度保持在0℃并维持2小时。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个过渡段，三轴转台内框、中框和外框依次转动到如下位置处：
将三轴转台进行初始转动到达初始位置，所述初始转动包含12次，从每个初始位置开始，外框依次转动0°、90°、180°、270°四个角度，每次转动到位均静止设定时长，分别记录三个加速计的输出值；
在12次初始转动中三个加速计的转动角度分别为：(0°，0°，0°)、(180°，180°，0°)、(0°，180°，0°)、(180°，0°，0°)、(0°，90°，0°)、(180°，270°，0°)、(0°，270°，0°)、(180°，90°，0°)、(90°，0°，0°)、(270°，180°，0°)、(270°，0°，0°)、(90°，180°，0°)；
其中，三轴加速计中三个加速计与三轴转台三框的对应关系为：加速计X对应中框，加速计Y对应内框，加速计Z对应外框。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三轴加速计输出数据计算三轴加速计的三轴零偏为：
每个过渡段分别采用如下公式计算三轴加速计的零偏值：
Figure FDA0004021111680000021
其中，M为一个过渡段所设计的转动位置的数量；Kx0、Ky0、Kz0为X、Y、Z加速计的零偏，Nax(i)、Nay(i)、Naz(i)分别为第i个转动位置处，三轴加速计三个轴的输出数据。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度测量值T1、T2、T3采用三轴加速计所在惯性导航系统中三轴陀螺的温度传感器测量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对三轴加速计的三轴零偏与温度之间的关系进行拟合时，针对各个测试段进行分段拟合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116429150A (zh) * 2023-06-15 2023-07-14 河北美泰电子科技有限公司 Mems陀螺零偏补偿方法、装置、电子设备及存储介质

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101629830A (zh) * 2009-08-20 2010-01-20 北京航空航天大学 一种三轴一体高精度光纤陀螺的标定方法及装置
CN102620733A (zh) * 2012-03-28 2012-08-01 湖北航天技术研究院总体设计所 惯性测量组合温度补偿方法
CN103954304A (zh) * 2014-05-21 2014-07-30 北京航天自动控制研究所 一种应用于mems惯组的零偏长短期变化值测试方法
RU2566427C1 (ru) * 2014-08-06 2015-10-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ определения температурных зависимостей масштабных коэффициентов, смещений нуля и матриц ориентации осей чувствительности лазерных гироскопов и маятниковых акселерометров в составе инерциального измерительного блока при стендовых испытаниях
CN105333888A (zh) * 2015-11-26 2016-02-17 湖北三江航天红峰控制有限公司 一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法
CN105910626A (zh) * 2016-06-15 2016-08-31 重庆华渝电气集团有限公司 挠性陀螺测斜仪寻北全温标定补偿方法
CN107529373B (zh) * 2002-12-30 2016-10-05 北京航天时代光电科技有限公司 光纤陀螺捷联惯性测量装置
CN106595710A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 中国人民解放军国防科学技术大学 一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法
CN107870000A (zh) * 2017-11-06 2018-04-03 中国人民解放军63686部队 基于多项式拟合技术的提高光纤陀螺零偏稳定性方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107529373B (zh) * 2002-12-30 2016-10-05 北京航天时代光电科技有限公司 光纤陀螺捷联惯性测量装置
CN101629830A (zh) * 2009-08-20 2010-01-20 北京航空航天大学 一种三轴一体高精度光纤陀螺的标定方法及装置
CN102620733A (zh) * 2012-03-28 2012-08-01 湖北航天技术研究院总体设计所 惯性测量组合温度补偿方法
CN103954304A (zh) * 2014-05-21 2014-07-30 北京航天自动控制研究所 一种应用于mems惯组的零偏长短期变化值测试方法
RU2566427C1 (ru) * 2014-08-06 2015-10-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ определения температурных зависимостей масштабных коэффициентов, смещений нуля и матриц ориентации осей чувствительности лазерных гироскопов и маятниковых акселерометров в составе инерциального измерительного блока при стендовых испытаниях
CN105333888A (zh) * 2015-11-26 2016-02-17 湖北三江航天红峰控制有限公司 一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法
CN105910626A (zh) * 2016-06-15 2016-08-31 重庆华渝电气集团有限公司 挠性陀螺测斜仪寻北全温标定补偿方法
CN106595710A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 中国人民解放军国防科学技术大学 一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法
CN107870000A (zh) * 2017-11-06 2018-04-03 中国人民解放军63686部队 基于多项式拟合技术的提高光纤陀螺零偏稳定性方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法;卓超等;《中国惯性技术学报》;20161215;第24卷(第06期);全文 *

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