CN112683303B - 一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法，第一步：利用加计零偏计算方法和陀螺零偏计算方法对单个陀螺进行G敏感标定；第二步：对标定过G敏感的单个陀螺进行全量程标校；第三步：重复第一、第二步骤对三个陀螺分别进行处理；第四步：使用单点解耦的方式，对三个陀螺进行陀螺之间的交叉解耦。本发明基于MATLAB平台进行了仿真计算，并使用自研的惯性测量单元在单轴转台上进行了试验验证。本发明可使产品同时提升陀螺非线性度、陀螺交叉耦合、线加速度引起的陀螺漂移三个指标性能。

Description

一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法

技术领域

本发明涉及惯性测量单元，具体涉及对惯性测量单元陀螺位置进行补偿的方法。

背景技术

惯性测量单元是以陀螺仪和加速度计为基本的惯性测量元件，其中，陀螺仪敏感载体相对惯性空间的角速度，通过角速率补偿和积分运算为加速度计提供测量基准；加速度计则敏感载体相对惯性空间的线性运动信息，通过坐标变换和加速度补偿，得到载体相对地球的加速度，进而由积分运算得到载体的速度和位置。

惯性测量单元在生产过程中，需要同时解决陀螺非线性度、陀螺交叉耦合、线加速度引起的陀螺漂移三个指标要求。传统的标校方法为6位置标校法，使用一次最小二乘法同时解决7个问题即：加速度计与加速度计之间的交叉耦合，陀螺对加速度计的交叉耦合，加速度计对陀螺的交叉耦合，陀螺与陀螺之间的交叉耦合，陀螺的零偏，加计的零偏，陀螺的非线性度。实际使用时，往往结果很不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法，不再采用单一的一次最小二乘法，而是分步进行，区分权重，分步标定。本发明基于MATLAB平台进行了仿真计算，并使用自研的惯性测量单元在单轴转台上进行了试验验证。本发明可使产品同时提升陀螺非线性度、陀螺交叉耦合、线加速度引起的陀螺漂移三个指标性能。

惯性测量单元是导弹的重要组成部分，它依据内置的3个角速率陀螺、3个加速度计，敏感载体姿态的运动角速率和过载情况，并通过内部计算机进行温度补偿、标校，为控制计算机提供输入。

本发明的技术方案是，一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：对单个陀螺进行G敏感标定；

第二步：对标定过G敏感的单个陀螺进行全量程标校；

第三步：重复1、2步骤对三个陀螺分别进行处理；

第四步：使用单点解耦的方式，对三个陀螺进行陀螺之间的交叉解耦。

本发明特点和效果

为了对比直接标定、分段标定、分步标定(本发明新方法)，将三组指标均列出，从表中可以看出，相较于直接标定，分段标定可以解决线加速度引起的漂移问题，但是对于交叉解耦方面表现欠佳，而本发明方法可以同时满足非线性度、交叉耦合、线加速度引起的漂移三个指标要求。

附图说明

图1是本发明标校流程图。

具体实施方式

惯性测量单元是导弹的重要组成部分，它依据内置的3个角速率陀螺、3个加速度计，敏感载体姿态的运动角速率和过载情况，并通过内部计算机进行温度补偿、标校，为控制计算机提供输入。

1陀螺G敏感补偿

1.1补偿原理

加速度会对陀螺的角速度输出造成影响，需要进行补偿。以X轴陀螺为例，根据陀螺与加速度计的耦合关系，陀螺与加速度计的耦合模型为：WX＝WX_G+KX_G*AX+BX_G

式中，WX_G为G敏感补偿后的X轴陀螺输出(理论值)，WX为补偿前X轴陀螺输出(实测值)，AX为X轴加速度输出，KX_G为G敏感参数，BX_G为陀螺零偏。

X轴朝上放置时，可测得陀螺实际输出的30s均值WX⁺和加速度输出的30s均值AX⁺，WX_G代入0；

X轴朝下放置时，可测得陀螺实际输出的30s均值WX^-和加速度输出的30s均值AX^-，WX_G代入0；

求解可得KX_G和BX_G。

同理可得Y轴，Z轴陀螺的G敏感参数。

1.2补偿方法

a.转动六面体使产品X轴朝上放置在水平平台上；

b.打开检测软件，待产品稳定150s后，开始记录产品的输出数据，记录时间为30s，取得第一组数据；

c.顺时针转动六面体90°，记录产品输出数据，记录时间为30s，取得第二组数据；

d.顺时针转动六面体90°，记录产品输出数据，记录时间为30s，取得第三组数据；

e.顺时针转动六面体90°，记录产品输出数据，记录时间为30s，取得第四组数据；

f.翻动六面体使产品X轴朝下，重复步骤b～e；

加表零偏计算方法见式(1)。

式中：

Ab₀——加速度计零偏，g；

n——采样点数；

Ai——加速度计输出，g。

陀螺零偏计算方法见式(2)：

式中：

E_j——陀螺仪零偏，°/s；

n——采样点数；

G_i——陀螺仪输出，°/s。

代入式(3)可得KX_G和BX_G：

WX＝WX_G+KX_G*AX+BX_G…………………(3)

其中WX_G为G敏感补偿后的X轴陀螺输出理论值，WX为补偿前X轴陀螺输出实测值，AX为X轴加速度输出，KX_G为X轴G敏感参数，BX_G为X轴陀螺零偏；

同样的方法带入式(4)可得KY_G和BY_G：

WY＝WY_G+KY_G*AY+BY_G…………………(4)；

其中WY_G为G敏感补偿后的Y轴陀螺输出理论值，WY为补偿前Y轴陀螺输出实测值，AY为Y轴加速度输出，KY_G为Y轴G敏感参数，BY_G为Y轴陀螺零偏；

同样的方法带入式(5)可得KZ_G和BZ_G：

WZ＝WZ_G+KZ_G*AZ+BZ_G…………………(5)；

其中WZ_G为G敏感补偿后的Z轴陀螺输出理论值，WZ为补偿前Z轴陀螺输出实测值，AZ为Z轴加速度输出，KZ_G为Z轴G敏感参数，BZG为Z轴陀螺零偏；

2陀螺线全量程校准

2.1补偿原理

惯性测量元件的陀螺仪在不同角速度输入条件下的实测值与理论值成多项式函数关系，根据输入信号对陀螺仪的输出进行补偿，即可校准全量程范围内惯性测量元件陀螺输出偏差。分别测量0°/s、±1°/s、±5°/s、±10°/s、±20°/s、±50°/s、±100°/s十三个不同转速下惯性测量元件的输出。对主转轴陀螺输出，采用线性拟合法拟合出输入输出的函数关系式。

2.2补偿方法

测试设备：高精度单轴转台、六面体工装、被测产品、直流稳压电源、计算机测试系统、测试电缆。

连接安装：将产品牢固的安装在六面体工装内，将六面体工装安装固定在高精度单轴转台上，连接好测试线、电源和计算机(要求电源、计算机工作正常)。将测试电缆的一端与测试计算机、直流稳压电源连接，打开并调整直流稳压电源输出为28V，关闭电源；将测试电缆另一端与产品电气接口连接牢固，特别要求电源及其线缆接头用绝缘胶布包裹裸漏接头，做好测试准备。

上电150s后，设置转台分别以0°/s、±1°/s、±3°/s、±5°/s、±10°/s、±20°/s、±50°/s、±60°/s、±100°/s、±150°/s速率转动，每次数据采样时间为30s，取平均值为当前状态下的陀螺输出。对19个值进行线性拟合可得拟合参数KX_N，BX_N，则有：

WXn＝KX_N*WX_G+BX_N…………………(6)

其中WXn为X轴陀螺的了理论值，KX_N为X轴陀螺的线性标度因数，WX_G为X轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BX_N为X轴陀螺的线性拟合零偏；

翻转六面体工装使得Y轴朝上，重复上述步骤，可得

WYn＝KY_N*WY_G+BY_N…………………(7)

其中WYn为Y轴陀螺的了理论值，KY_N为Y轴陀螺的线性标度因数，WY_G为Y轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BY_N为Y轴陀螺的线性拟合零偏；

翻转六面体工装使得Z轴朝上，重复上述步骤，可得

WZn＝KZ_N*WZ_G+BZ_N…………………(8)

其中WZn为Z轴陀螺的了理论值，KZ_N为Z轴陀螺的线性标度因数，WZ_G为Z轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BZ_N为Z轴陀螺的线性拟合零偏；

3陀螺交叉耦合补偿

3.1补偿原理

使用单点解耦的方式，对三个陀螺进行陀螺之间的交叉解耦；

根据陀螺仪耦合误差分析，陀螺耦合误差模型如下

w＝E*W+B…………………(9)

其中，E为陀螺仪交叉耦合误差矩阵；B为陀螺零偏矩阵，w为三个陀螺的实测值矩阵，W为陀螺解耦后理论值矩阵，令

G＝[1 W’]…………………(10)

对上式取转置(上角标“’”表示矩阵的转置)，则有：

故：

Q′＝(G′G)^-1G′w′.....................(13)

根据实测w和已知理论值G即可计算得Q，故而可得B和E；

将得到的B、E带入式(14)，即可得到解耦后的

这里WN为解耦前测试值；

3.2补偿方法

翻转六面体使得产品X轴向上，设置转台分别以±10°/s速率转动，每次数据采样时间为30s，取平均值为当前状态下的陀螺的输出；

翻转六面体使得产品Y轴向上，重复上述步骤；

翻转六面体使得产品Z轴向上，重复上述步骤；

将采集到的数据，根据式(13)和式(11)进行计算，得到陀螺安装误差矩阵E，陀螺零偏矩阵B。

以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种惯性测量单元陀螺位置补偿方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：利用加计零偏计算方法和陀螺零偏计算方法对单个陀螺进行G敏感标定；

加计零偏计算方法见式(1)

式中：

j——顺时针旋转采样组数；

Ab₀——加速度计零偏，g；

n——采样点数；

Ai——加速度计输出，g；

陀螺零偏计算方法见式(2)

式中：

j——顺时针旋转采样组数；

E₀——陀螺仪零偏，°/s；

n——采样点数；

G_i——陀螺仪输出，°/s；

代入式(3)可得KX_G和BX_G：

WX＝WX_G+KX_G*AX+BX_G…………………(3)

其中WX_G为G敏感补偿后的X轴陀螺输出理论值，WX为补偿前X轴陀螺输出实测值，AX为X轴加速度输出，KX_G为X轴G敏感参数，BX_G为X轴陀螺零偏；

同样的方法带入式(4)可得KY_G和BY_G：

WY＝WY_G+KY_G*AY+BY_G…………………(4)；

其中WY_G为G敏感补偿后的Y轴陀螺输出理论值，WY为补偿前Y轴陀螺输出实测值，AY为Y轴加速度输出，KY_G为Y轴G敏感参数，BY_G为Y轴陀螺零偏；

同样的方法带入式(5)可得KZ_G和BZ_G：

WZ＝WZ_G+KZ_G*AZ+BZ_G…………………(5)；

其中WZ_G为G敏感补偿后的Z轴陀螺输出理论值，WZ为补偿前Z轴陀螺输出实测值，AZ为Z轴加速度输出，KZ_G为Z轴G敏感参数，BZG为Z轴陀螺零偏；

第二步：对标定过G敏感的单个陀螺进行全量程标校；

做好测试准备，上电150s后，设置转台分别以0°/s、±1°/s、±3°/s、±5°/s、±10°/s、±20°/s、±50°/s、±60°/s、±100°/s、±150°/s速率转动，每次数据采样时间为30s，取平均值为当前状态下的陀螺输出；对19个值进行线性拟合可得拟合参数KX_N，BX_N，则有：

WXn＝KX_N*WX_G+BX_N…………………(6)

其中WXn为X轴陀螺的了理论值，KX_N为X轴陀螺的线性标度因数，WX_G为X轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BX_N为X轴陀螺的线性拟合零偏；

翻转六面体工装使得Y轴朝上，重复上述步骤，可得

WYn＝KY_N*WY_G+BY_N…………………(7)

其中WYn为Y轴陀螺的了理论值，KY_N为Y轴陀螺的线性标度因数，WY_G为Y轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BY_N为Y轴陀螺的线性拟合零偏；

翻转六面体工装使得Z轴朝上，重复上述步骤，可得

WZn＝KZ_N*WZ_G+BZ_N…………………(8)

其中WZn为Z轴陀螺的了理论值，KZ_N为Z轴陀螺的线性标度因数，WZ_G为Z轴陀螺的实测值经过G敏感标定后的计算值，BZ_N为Z轴陀螺的线性拟合零偏；

第三步：重复第一、第二步骤对三个陀螺分别进行处理；

第四步：使用单点解耦的方式，对三个陀螺进行陀螺之间的交叉解耦；

根据陀螺仪耦合误差分析，陀螺耦合误差模型如下

w＝E*W+B…………………(9)

其中，E为陀螺仪交叉耦合误差矩阵；B为陀螺零偏矩阵，w为三个陀螺的实测值矩阵，W为陀螺解耦后理论值矩阵，令

G＝[1 W’]…………………(10)

对上式取转置，上角标“’”表示矩阵的转置，则有：

故：

Q′＝(G′G)^-1G′w′…………………(13)

根据实测w和已知理论值G即可计算得Q，故而可得B和E；

将得到的B、E带入式(14)，即可得到解耦后的

这里WN为解耦前测试值；

翻转六面体使得产品X轴向上，设置转台分别以±10°/s速率转动，每次数据采样时间为30s，取平均值为当前状态下的陀螺的输出；

翻转六面体使得产品Y轴向上，重复上述步骤；

翻转六面体使得产品Z轴向上，重复上述步骤；

将采集到的数据，根据式(13)和式(11)进行计算，得到陀螺仪交叉耦合误差矩阵E，陀螺零偏矩阵B。

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