CN112484712A - 一种双陀螺寻北姿态基准仪及寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双陀螺寻北姿态基准仪及寻北方法，包括惯性测量单元、转位台体、光栅编码器、电源系统、信号采集板与导航解算板；所述惯性测量单元包括正交安装的北向陀螺与东向陀螺，对应于每个陀螺均在同轴安装一个加速度计；所述惯性测量单元与光栅编码器分别安装在所述转位台体的上、下端面，从而能够通过转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述信号采集板用于采集陀螺信号和加速度计信号给导航解算板；导航解算板中配置有天向陀螺模拟程序，用于根据光栅编码器的测量值模拟计算出天向陀螺的测量值。寻北方法包括对光栅编码器进行标定、单轴旋转调制与寻北解算。本发明大大降低了硬件成本，同时提高了寻北精度。

Description

一种双陀螺寻北姿态基准仪及寻北方法

技术领域

本发明涉及惯性导航设备技术领域。

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。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种双陀螺寻北姿态基准仪，解决现有技术为提高导航精度而需要依赖三个陀螺的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种双陀螺寻北姿态基准仪，包括惯性测量单元、转位台体、光栅编码器、电源系统、信号采集板与导航解算板；所述惯性测量单元包括正交安装的北向陀螺与东向陀螺，对应于每个陀螺均在同轴安装一个加速度计；所述惯性测量单元与光栅编码器分别安装在所述转位台体的上、下端面，从而能够通过转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述信号采集板用于采集陀螺信号和加速度计信号给导航解算板；导航解算板中配置有天向陀螺模拟程序，用于根据光栅编码器的测量值模拟计算出天向陀螺的测量值。

进一步的，天向陀螺模拟程序中存储有光栅编码器读数与天向陀螺的测量值的映射关系。

进一步的，通过映射表存储光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系；或者通过光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值之间的映射函数：以光栅编码器的读数为自变量，并以天向陀螺的测量值为因变量。

进一步的，通过映射表存储光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系；或者通过光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值之间的映射函数：

以光栅编码器的读数为自变量，并以天向陀螺的测量值为因变量。

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；

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。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：

1、本发明只需要两只陀螺就可以达到三只陀螺的效果，可以有效节约成本；通过优化改进的捷联惯性导航算法建立数学平台，能够有效解决基座扰动的情况下，寻北精度差的问题。

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。将天向陀螺和加表省去，既节约了成本也克服了天向陀螺精度对寻北精度的影响。

3、对光栅编码器读数进行误差修正，提高光栅编码器的精度，进而提高寻北精度。

4、采用单轴旋转调制技术，侧重抗扰动设计，保证寻北精度，简化了系统生产加工及装配工艺，提高了系统的可靠性及可维修性。

附图说明

图1是本具体实施方式中双陀螺寻北姿态基准仪标定过程中的结构示意图；

图2是单轴旋转调制过程示意图。

具体实施方式

一)理论分析

对于仅需要高精度寻北定向精度的应用场合，使用3个光纤陀螺使得寻北系统成本过高。为能够在实现高精度寻北定向的同时降低寻北系统成本，从寻北系统中减少1个光纤陀螺是一种可行的技术方案。在测量信息有所减少的情况下，基于静基座的条件约束得到陀螺理论值，并将其作为虚拟的陀螺加以合理利用，寻北问题仍可转换为静基座初始对准问题进行处理。

寻北系统满足静基座条件时，转台台体坐标系(b_p0系)与地球坐标系(e系)和导航坐标系(n系)均相对静止，当转台连续转动时，载体角速度

满足

式中：

α为转台角度；

b_p系相对于b_p0系的转动角速度

ω_r为转台转速。

由当地地理纬度确定；

由标定得到；

和ω_r由转台角度可以确定，

则为导航坐标系相对于转台台体坐标系的方向余弦矩阵。由式(1)，即可由转台台体坐标系的姿态角和转台角度计算得到载体角速度

通过相应的坐标变换，可以得到空间任意方向的角速度信息。

此时得到的某方向角速度信息可以视为由该方向上的虚拟陀螺测量得到，并且虚拟陀螺的误差由姿态角误差和转台角度测量误差决定。

综上分析，由1个虚拟陀螺、2个光纤陀螺、2个加速度计和单轴转台即可实现基于虚拟陀螺的双陀螺寻北系统方案。此时，寻北问题仍可参照三陀螺捷联寻北系统予以解决。

二)结构设计

参考图1所示，一种双陀螺寻北姿态基准仪，包括惯性测量单元3、转位台体2、光栅编码器1、电源系统、信号采集板6与导航解算4板；所述惯性测量单元包括正交安装的北向陀螺与东向陀螺，对应于每个陀螺均在同轴安装一个加速度计；所述惯性测量单元与光栅编码器分别安装在所述转位台体的上、下端面，从而能够通过转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述信号采集板用于采集陀螺信号和加速度计信号给导航解算板；导航解算板中配置有天向陀螺模拟程序，用于根据光栅编码器的测量值模拟计算出天向陀螺的测量值。

本具体实施方式中，所述转位台体通过磁屏蔽罩进行磁屏蔽，避免光纤陀螺受到电磁干扰。

本具体实施方式中，所述转位台体的电机采用有刷电机，可以节约成本。

为了便于对光栅编码器进行标定，所述惯性测量单元能够可拆卸安装调式部分5，并使调式部分5正交于北向陀螺与东向陀螺。所述惯性单元能够可拆卸安装同轴于所述天向陀螺的加速度计。调式部分包括天向陀螺与对应的同轴加速度计。

天向陀螺模拟程序中存储有光栅编码器读数与天向陀螺的测量值的映射关系。

通过映射表存储光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系；或者通过光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值之间的映射函数：以光栅编码器的读数为自变量，并以天向陀螺的测量值为因变量。

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；

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。

三)寻北方法

本具体实施方式中的双陀螺寻北姿态基准仪的寻北方法，包括以下步骤：

①装配：在转位台体上装配调式部分后进行标定，调式部分包括天向陀螺与对应的加速度计，惯性测量单元安装在转位台体上，利用安装结构保障三个光纤陀螺(天向、东向和北向)和三个加表正交。待安装完成后，通过弹簧锁将转位台体固定，使其与捷联系统相同。

②标定：

首先，通过系统级标定方法得出系统误差，并将北向陀螺、东向陀螺、天向陀螺以及对应加速度计的测量误差和安装误差标定出来，提高系统精度。在温箱下，在不同温度点测量IMU的原始数据，采用系统级标定方法，得出系统误差，从而进行补偿。

然后，对光栅编码器进行标定，得到光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系。

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/Θ_2π；

其中，Θ表示天向陀螺对应于转动Ψ角度时的输出量，Θ_2π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θ_rs，让转位台体以恒定的角速度Ω旋转，当真实测量值

时，天向陀螺输出量为：

Θ_Ψ＝Ψcosθ_rs+Ω₀×Ψ/Ω＝Ψ(cosθ_rs+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为测量值Ψ所耗的时间。特别的，当旋转360°时有：

Θ_2π＝2π(cosθ_rs+Ω₀/Ω) (2)

则，由公式(1)、(2)得：

Ψ＝2πΘ_Ψ/Θ_2π (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。

③参数验证：标定完成后，通过三轴转台进行参数验证，验证通过后拆卸调式部分；

④装订经纬度：在寻北系统中，将经纬度(GPS信息)当做寻北命令，当设备接收到经纬度信息时，寻北开始；

⑤粗对准：当接到寻北命令后，通过控制电机旋转，使转位台体回到零位即光栅编码器零位，转位时间为30s，通过基于静基座的初始对准方法得到姿态信息，便于后期解算。

⑥单轴旋转调制：采用两位置转/停的旋转方式控制转位台体进行旋转。

旋转调制方案关系到系统的寻北精度，选择适当的整体结构和旋转方案十分重要。IMU的单向速度转动会引入旋转轴方向上陀螺仪标度因数误差与地球旋转角速度天向分量以及旋转角速度的耦合项。该耦合项会引起随时间积累的天向姿态误差角，所以单轴旋转调制方案采用正/反转的形式。从缩短旋转机构工作时间以降低故障的角度出发，旋转方案一般采取转/停方式，如图2所示，单轴旋转控制次序如下：

1、从A点出发以角速度ω绕旋转轴正转180°到B点，并在B点停止T_s秒；

2、从B点出发以角速度ω绕旋转轴反转180°到A点，并在A点停止T_s秒；

3、从A点出发以角速度ω绕旋转轴反转180°到B点，并在B点停止T_s秒；

4、从B点出发以角速度ω绕旋转轴正转180°到A点，并在A点停止T_s秒；

以上4次转动为一个旋转调制周期，并据此循环转动。

⑦寻北解算：采用捷联解算算法，根据旋转矢量计算出载体相对于导航坐标系的姿态；所述旋转矢量包括北向陀螺、东向陀螺、天向陀螺的测量值，还包括各加速度计的加速度，其中天向陀螺的测量值根据光栅编码器的读数模拟计算得到。

天向陀螺对应的同轴加速度计在标定完成后就一并拆卸，在解算时，该加速度计的加速度采用常值g代替即可。在寻北系统中，寻北条件为水平倾斜最大角度±6°，天向加速度计用常值g代替，不影响寻北结果。

⑧采用逆向解算算法对捷联解算算法的结果进行二次解算，以修正解算结果。在5min寻北时间内，利用旋转矢量与四元数的关系，计算出载体相对于导航坐标系的姿态，此时时间为4min 50s，利用二次解算算法(逆向解算法)，时间为10s，对寻北结果重新进行解算，提高寻北精度。

采用相同的光纤陀螺，分别制成单陀螺寻北仪、双陀螺寻北仪以及三陀螺寻北仪，基于相同的寻北解算算法，寻北精度分别如下表：

光纤陀螺采用单位自制某型陀螺，其指标为：a)零偏重复性：≤0.02°/h；

b)零偏重复性：≤0.02°/h。

本发明的双陀螺式寻北精度可达到0.03°，完全满足高精度寻北仪使用。

Claims (10)

1.一种双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，包括惯性测量单元、转位台体、光栅编码器、电源系统、信号采集板与导航解算板；所述惯性测量单元包括正交安装的北向陀螺与东向陀螺，对应于每个陀螺均在同轴安装一个加速度计；所述惯性测量单元与光栅编码器分别安装在所述转位台体的上、下端面，从而能够通过转位台体带动惯性测量单元与光栅编码器同步转动；所述信号采集板用于采集陀螺信号和加速度计信号给导航解算板；导航解算板中配置有天向陀螺模拟程序，用于根据光栅编码器的测量值模拟计算出天向陀螺的测量值。

2.根据权利要求1所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，所述转位台体通过磁屏蔽罩进行磁屏蔽。

3.根据权利要求1所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，所述转位台体的电机采用有刷电机。

4.根据权利要求1所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，所述惯性测量单元能够可拆卸安装天向陀螺，并使天向陀螺正交于北向陀螺与东向陀螺。

5.根据权利要求4所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，所述惯性单元能够可拆卸安装同轴于所述天向陀螺的加速度计。

6.根据权利要求1所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，天向陀螺模拟程序中存储有光栅编码器读数与天向陀螺的测量值的映射关系。

7.根据权利要求6所述的双陀螺寻北姿态基准仪，其特征在于，通过映射表存储光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系；或者通过光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值之间的映射函数：以光栅编码器的读数为自变量，并以天向陀螺的测量值为因变量。

8.根据权利要求7所述的双陀螺寻北姿态基准仪，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；

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。

9.一种如权利要求4或5所述的双陀螺寻北姿态基准仪的寻北方法，其特征在于，包括以下步骤：

在转位台体上装配调式部分后进行标定，调式部分包括天向陀螺与对应的加速度计：

通过系统级标定方法得出系统误差，并将北向陀螺、东向陀螺、天向陀螺以及对应加速度计的测量误差和安装误差标定出来，提高系统精度；；

参数验证：标定完成后，通过三轴转台进行参数验证，；

对光栅编码器进行标定，得到光栅编码器的读数与天向陀螺的测量值的映射关系，标定后拆卸调式部分

装订经纬度：在寻北系统中，将经纬度当做寻北命令，当设备接收到经纬度信息时，寻北开始；

粗对准：当接到寻北命令后，通过控制电机旋转，使转位台体回到零位即光栅编码器零位，转位时间为30s，通过基于静基座的初始对准方法得到姿态信息，便于后期解算；

单轴旋转调制：采用两位置转/停的旋转方式控制转位台体进行旋转；

寻北解算：采用捷联解算算法，根据旋转矢量计算出载体相对于导航坐标系的姿态；所述旋转矢量包括北向陀螺、东向陀螺、天向陀螺的角速度，还包括各加速度计的加速度，其中天向陀螺的测量值根据光栅编码器的读数模拟计算得到。

10.一种如权利要求9所述的双陀螺寻北姿态基准仪的寻北方法，其特征在于：采用逆向解算算法对捷联解算算法的结果进行二次解算，以修正解算结果。

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