CN112461268A - 天向陀螺的代位标定方法与双陀螺式导航设备的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天向陀螺的代位标定方法与双陀螺式导航设备的标定方法，在转位台体上、下两端分别安装天向陀螺与光栅编码器；通过转位台体以恒定角速度带动天向陀螺与光栅编码器同步转动；利用光栅编码器的输出脉冲作为采集天向陀螺输出量的同步信号，每间隔n个脉冲，就同步采集一个天向陀螺输出量与一个光栅编码器读数Ψ′；计算天向陀螺的测量值Ψ：Ψ＝2πΘ/Θ2π；其中，Θ表示天向陀螺对应于转动Ψ角度时的输出量，Θ2π表示天向陀螺对应于转动2π角度时的输出量；将光栅编码器读数Ψ′映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。本发明解决如何将天向陀螺的测量值标定到光栅编码器的测量值上的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航设备标定技术领域。
背景技术
捷联惯性导航设备是复杂的高精度机电综合系统，其惯性测量单元(IMU)主要由3个光纤陀螺(北向陀螺、东向陀螺和天向陀螺)和3个加速度计组成，利用惯性导航初始对准进行寻北，然后通过捷联惯性导航算法解算出航向角，抗干扰能力强，适用于车载雷达、矿山测绘隧道勘探等领域，导航精度较高，但是成本高昂，阻碍了推广应用。因此，发明人设计了一种双陀螺式捷联惯性导航设备，取消了天向陀螺，利用光栅编码器替代天向陀螺的功能，惯性组件中的光纤陀螺和加速度计的数量均为2个，在保证导航精度的前提下，大大降低了成本。为了实现光栅编码器替代天向陀螺，就必需要预先进行标定，获取光栅编码器的旋转角度与天向陀螺的旋转角度的关系。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种天向陀螺的代位标定方法，解决如何将天向陀螺的测量值标定到光栅编码器的测量值上的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种技术方案如下：一种天向陀螺的代位标定方法，包括以下步骤：
在转位台体上、下两端分别安装天向陀螺与光栅编码器；
通过转位台体以恒定角速度带动天向陀螺与光栅编码器同步转动；
利用光栅编码器的输出脉冲作为采集天向陀螺输出量的同步信号，每间隔n个脉冲，就同步采集一个天向陀螺输出量与一个光栅编码器读数Ψ′；
按如下公式计算天向陀螺的测量值Ψ：
Ψ＝2πΘ/Θ2π；
其中，Θ表示天向陀螺对应于转动Ψ角度时的输出量，Θ2π表示天向陀螺对应于转动2π角度时的输出量；
将光栅编码器读数Ψ′映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
进一步的，还包括对光栅编码器进行误差标定，以对光栅编码器的读数Ψ′进行修正。
进一步的，根据光栅编码器的读数Ψ′对光栅编码器的误差dΨ′利用二次谐波进行拟合，并根据下式对光栅编码器的读数Ψ′进行修正：Ψ″＝Ψ′-dΨ′；其中，Ψ″表示修正后的光栅编码器读数。
进一步的，将修正后的光栅编码器读数Ψ″映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，根据光栅编码器的误差计算修正后的光栅编码器读数Ψ″，根据Ψ′就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
本发明还提供一种双陀螺式导航设备的标定方法，双陀螺式导航设备包括分别安装在转位台体上、下端的惯性测量单元与光栅编码器，从而通过所述转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述双陀螺式导航设备的惯性测量单元顶部预留用于可拆卸连接天向陀螺的安装位；将天向陀螺安装到惯性测量单元顶部，采用本发明的天向陀螺的代位标定方法对天向陀螺进行标定，从而将天向陀螺的测量值标定到光栅编码器上，通过光栅编码起的读数就能获取天向陀螺的测量值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
1、本发明将天向陀螺与光栅编码器同步转动，转动角度一致，但是由于不可避免的误差因数，天向陀螺的测量值与光栅编码器的读数不一致，通过标定建立出映射关系，从而通过光栅编码器的读数就能得出天向陀螺的测量值，进而可以用光栅编码器取代天向陀螺，为双陀螺式导航设备的实习打下基础。
2、采用光栅编码器模拟天向陀螺，由于不存在随机游走误差和零偏误差，因此在一定倾角范围内可以提高寻北精度。
3、由于光栅编码器的精度低于天向陀螺，因此需要对光栅编码器的误差进行标定，以便进行误差补偿，提高精度。
具体实施方式
一种双陀螺式导航设备的标定方法，双陀螺式导航设备包括分别安装在转位台体上、下端的惯性测量单元与光栅编码器，从而通过所述转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述双陀螺式导航设备的惯性测量单元顶部预留用于可拆卸连接天向陀螺的安装位；将天向陀螺安装到惯性测量单元顶部，采用本发明的天向陀螺的代位标定方法对天向陀螺进行标定，从而将天向陀螺的测量值标定到光栅编码器上，通过光栅编码起的读数就能获取天向陀螺的测量值。
天向陀螺的输出主要包括转位台体旋转在天向陀螺投影和地球自转在天向陀螺投影两大部分，标定时，首先对三个陀螺和三个加表进行标定，可以通过标定补偿陀螺加表标度因数和安装误差；然后进行天向陀螺的代位标定。
标定主要步骤如下：
1)精确安装结构。在系统中，首先将光纤陀螺与加速度计通过支架固连，保证陀螺与加速度计的中心重合。
2)其次，将惯性测量单元安装在转位机构上，保证惯性测量单元和转位机构的同步性。
3)整体标定。对整体装置进行标定。
4)光栅标定。对光栅编码器进行标定。
惯性测量单元(IMU)安装在单轴转台上，IMU标定是通过比较IMU中惯性器件的输出和已知参考输入，确定一组参数使IMU输出与输入相吻合的过程。IMU标定的理论基础是系统辨识和参数估计。
惯性器件参数包括静态参数项、动态参数项、温变参数项、时变参数项和随机噪声等。一般来说，采用的参数模型越复杂，惯性器件的输入/输出特性描述就越精确。标定中需根据系统性能要求，在模型复杂性和精确性间做出均衡。
基于转台的IMU标定法最常用的手段是速率测试和多位置静态测试。通常是利用速率测试标定陀螺参数，利用多位置静态测试标定加速度计参数。
有两类标定方法为高精度惯导系统IMU的标定提供了可行的选择，即模观测标定方法和系统级标定方法。
系统级标定方法主要基于导航解算误差的原理：惯导系统进入导航状态后，其参数误差经由导航解算会传递到导航结果中去，表现为导航误差，如果能获取导航误差的全部或部分信息，就可能对惯导系统参数做出估计。系统级标定有四大优点：①可以实现惯导系统现场标定；②可以实现惯导系统的自标定；③不需要高精度转台等测试设备；④不需要测量记录陀螺或加速度计的输出。
天向陀螺的代位标定方法，包括以下步骤：
在转位台体上、下两端分别安装天向陀螺与光栅编码器；
通过转位台体以恒定角速度带动天向陀螺与光栅编码器同步转动；
利用光栅编码器的输出脉冲作为采集天向陀螺输出量的同步信号，每间隔n个脉冲，就同步采集一个天向陀螺输出量与一个光栅编码器读数Ψ′；
按如下公式计算天向陀螺的测量值Ψ：
Ψ＝2πΘ/Θ2π；
其中，Θ表示天向陀螺对应于转动Ψ角度时的输出量，Θ2π表示天向陀螺对应于转动2π角度时的输出量；
将光栅编码器读数Ψ′映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
天向陀螺敏感轴和旋转平台的转动轴平行，由于安装的原因,实际上存在一个微小的夹角θrs，让转位台体以恒定的角速度Ω旋转，当真实旋转角度Ψ时，天向陀螺输出量为：
ΘΨ＝Ψcosθrs+Ω0×Ψ/Ω＝Ψ(cosθrs+Ω0/Ω) (1)
Ω0为地球自转在陀螺敏感轴上的分量和陀螺的零偏之和,Ψ/Ω为旋转角度Ψ所耗的时间。特别的，当旋转360°时有：
Θ2π＝2π(cosθrs+Ω0/Ω) (2)
则，由公式(1)、(2)得：
Ψ＝2πΘΨ/Θ2π (3)
即计算出光纤陀螺测量出的转动角度Ψ,用此值比对光栅编码器的输出值便可对光栅编码器进行标校：1)通过映射表存储光栅编码器的读数Ψ′与天向陀螺的测量值Ψ的映射关系；2)建立光栅编码器的读数Ψ′与天向陀螺的测量值Ψ之间的映射函数：以光栅编码器的读数Ψ′为自变量，并以天向陀螺的测量值Ψ为因变量。
为了提高精度，还包括对光栅编码器进行误差标定，以对光栅编码器的读数Ψ′进行修正。
采用雷尼绍公司的绝对值编码器,光栅环直径为150,栅距为20μm,读数头为RGH20,分辨率为0.5μm,每圈360°输出655360个脉冲,角度分辨率为1.9775”,系统误差为2.8”。实测实验条件为转动角速度Ω＝178.55°/s,转速稳定度为0.46％。利用光栅编码器的输出脉冲作为采集陀螺数据的同步信号,每隔4096个脉冲(对应的角度约为2.25°)。采集一个天向陀螺输出的数据,每圈输出160个数据，共测量30圈。
对光栅编码器的误差利用二谐波进行拟合，拟合公式为：
dΨ′＝-10.44×sin(Ψ′+5.108)+2.504×sin(2Ψ′+1.197)-13.19 (4)
式中Ψ′为光栅编码器读数。根据下式对光栅编码器进行修正，修正公式为：
Ψ″＝Ψ′-[10.44×sin(Ψ′+5.108)+2.504×sin(2Ψ′+1.197)-13.19] (5)
将修正后的光栅编码器读数Ψ″映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，根据光栅编码器的误差计算修正后的光栅编码器读数Ψ″，根据Ψ′就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
转台旋转在天向陀螺投影与角编码器的输出值有相对应的数学关系，可以使用角编码器代替天向陀螺。具体的对应关系是：寻北仪工作时载体处于静止状态，天向陀螺的输出主要括包括转台旋转在天向陀螺投影和地球自转在天向陀螺投影两大部分。
使用角编码器模拟天向陀螺由于不存在随机游走误差和零偏误差，因此在一定倾角范围内可以提高寻北精度。实际使用过程中，拆卸天向陀螺和加速度计，采用双陀螺寻北模式。
Claims (9)
1.一种天向陀螺的代位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
在转位台体上、下两端分别安装天向陀螺与光栅编码器；
通过转位台体以恒定角速度带动天向陀螺与光栅编码器同步转动；
利用光栅编码器的输出脉冲作为采集天向陀螺输出量的同步信号，每间隔n个脉冲，就同步采集一个天向陀螺输出量与一个光栅编码器读数Ψ′；
按如下公式计算天向陀螺的测量值Ψ：
Ψ＝2πΘ/Θ2π；
其中，Θ表示天向陀螺对应于转动Ψ角度时的输出量，Θ2π表示天向陀螺对应于转动2π角度时的输出量；
将光栅编码器读数Ψ′映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
2.根据权利要求1所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：通过映射表存储光栅编码器的读数Ψ′与天向陀螺的测量值Ψ的映射关系。
3.根据权利要求1所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：建立光栅编码器的读数Ψ′与天向陀螺的测量值Ψ之间的映射函数：以光栅编码器的读数Ψ′为自变量，并以天向陀螺的测量值Ψ为因变量。
4.根据权利要求1所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：还包括对光栅编码器进行误差标定，以对光栅编码器的读数Ψ′进行修正。
5.根据权利要求4所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：根据光栅编码器的读数Ψ′对光栅编码器的误差dΨ′利用二次谐波进行拟合，并根据下式对光栅编码器的读数Ψ′进行修正：Ψ″＝Ψ′-dΨ′；其中，Ψ″表示修正后的光栅编码器读数。
6.根据权利要求5所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：将修正后的光栅编码器读数Ψ″映射到天向陀螺的测量值Ψ上，即当光栅编码器读数为Ψ′时，根据光栅编码器的误差计算修正后的光栅编码器读数Ψ″，根据Ψ′就能得到天向陀螺的测量值为Ψ。
7.根据权利要求1所述的天向陀螺的代位标定方法，其特征在于：天向陀螺为光纤陀螺；光栅编码器为绝对值编码器。
8.一种双陀螺式导航设备的标定方法，其特征在于：双陀螺式导航设备包括分别安装在转位台体上、下端的惯性测量单元与光栅编码器，从而通过所述转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述双陀螺式导航设备的惯性测量单元顶部预留用于可拆卸连接天向陀螺的安装位；将天向陀螺安装到惯性测量单元顶部，采用权利要求1到7中任一所述的天向陀螺的代位标定方法对天向陀螺进行标定，从而将天向陀螺的测量值标定到光栅编码器上，通过光栅编码起的读数就能获取天向陀螺的测量值。
9.根据权利要求7所述的双陀螺式导航设备的标定方法，其特征在于：还包括对惯性测量单元中的惯性器件参数进行标定：通过速率测试标定陀螺参数，通过多位置静态测试标定加速度计参数。
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