CN112729270B - 一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法。校准装置包括装置底座，光纤陀螺，锂电池组，带WIFI数据发送功能的数据采集板，装置顶盖，锂电池组管理模块。将该校准装置安装在被校准转台上，结合校准方法即可实现对转台角位置误差和角速率误差的校准。本发明不但解决了现有的校准方法中存在的校准结果不够全面，说服力不强，校准操作复杂等问题，而且实现了转台角位置和角速率的一体化校准。此外，校准装置小巧轻便，可以很方便地送至计量检定机构进行对应的量值溯源乃至计量建标，之后便可以将其作为标准的校准装置来对其它的转台的误差进行校准，有效地解决了量值传递体系中对应的量值传递与溯源的问题，具有很高的应用价值。

Description

一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法。

背景技术

转台作为惯性测量领域常用的设备，已经被广泛应用于惯性传感器的标定和校准。因此，被标定和校准的惯性传感器的性能参数和指标与转台自身的性能参数和指标密切相关，其中，转台的角位置误差和角速率误差是最重要的两项指标。

在《GJB1801-93惯性技术测试设备主要性能试验方法》中，对转台的各项参数及测试方法进行了介绍。其中，对于转台的角位置的测试和校准中，是采用光电自准直仪和多面棱体实现对转台角位置的校准，该方法的校准精度与自准直仪和多面棱体的安装直接相关，因此对操作人员的专业程度和仪器的安装都有严格的要求。更重要的是，在一整周的校准过程中，使用的多面棱体的面数直接决定了可以实现的测量位置点数(如对于24面棱体，在一整周内只能实现对转台的24个角位置点进行校准)。这种方法会因为校准的位置点数太少而使得校准结果不够全面，校准结果在一定程度上也缺乏说服力。而对于角速率的测量，则采用数字频率计或转台自身的时基作为时间基准，转台自身的角位置测量系统输出的角位置作为角度基准来得到角速度，这种方法没有利用其它更高精度的设备来对转台的角速率进行测量，而是利用转台自身实现的自测量，得到的测量结果更加缺乏说服力。很明显，按照《GJB1801-93惯性技术测试设备主要性能试验方法》中所述，现有的针对转台的角位置和角速率的测量和校准方法具有一定的缺陷和不合理性。

光纤陀螺作为新型的全固态角速度传感器，在角速度的测量上具有独得的优势，且经过适当的处理之后即可得到角度信息，因此，利用光纤陀螺可以实现角度和角速度的一体化测量。

发明内容

为了克服现有的测试方法的不足，本发明设计了一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法。

一种基于光纤陀螺的转台校准装置，包括装置底座、光纤陀螺、锂电池组、带WIFI数据发送功能的数据采集板、装置顶盖、锂电池组管理模块；光纤陀螺和锂电池组安装在装置底座上，其中光纤陀螺位于装置底座的正中心位置，锂电池组均匀分布在光纤陀螺的四周，带WIFI数据发送功能的数据采集板和锂电池组管理模块安装在装置顶盖上，其中带WIFI数据发送功能的数据采集板位于装置顶盖的正中心位置，锂电池组管理模块均匀分布在装置顶盖的四个角上，锂电池组管理模块和锂电池组组成整个装置的电源模块，给整个装置供电，带WIFI数据发送功能的数据采集板与光纤陀螺相连，携带光纤陀螺的数据信息的WIFI传输信号与带WIFI连接和数据接收功能的计算机相连。

一种采用所述的基于光纤陀螺的转台校准装置的校准方法，步骤如下：

1.1)将基于光纤陀螺的转台校准装置安装在被校准转台上，设定校准过程中光纤陀螺的标度因数为K，控制被校准转台回到绝对零位处，并设计好校准过程中转台需校准的位置点数N；

1.2)控制被校准转台从绝对零位处转动到角位置θ_i，θ_i＝360°/N*i,i＝1,2,3…,N，录下此时基于光纤陀螺的转台校准装置测得的角度值，记为θ_{FOG_i}，并控制被校准转台再次回到绝对零位处；

1.3)重复步骤1.2)，直到选定的N个校准点均完成校准，得到N个校准点处的误差值Δθ_i，Δθ_i＝θ_{FOG_i}-θ_i；

1.4)为了消除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差，根据如下的处理方式对校准结果进行处理：

令：

根据最小二乘法得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

在扣除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差后，根据基于光纤陀螺的转台校准装置得到的被校准转台在各个校准点处的实际误差Δθ_{i_act}为：

Δθ_{i_act}＝Δθ_i-εθ_i (3)

被校准转台1的角位置误差为：

Δθ＝±max{|Δθ_{i_act}|} (4)。

所述的校准方法，基于对被校准转台的角位置误差进行校准的过程中得到的结果进一步对被校准转台的角速率误差进行校准，步骤如下：

2.1)在完成被校准转台的角位置误差校准后，得到在本次校准过程中，实际的光纤陀螺标度因数K_act与初始设定的标度因数K值之间的关系为：

K_act＝K(1+ε) (5)；

2.2)在进行被校准转台1的角速率误差校准之前，先将原先设定好的标度因数K值更改为K_act，并设计好待校准的被校准转台的角速率序列Ω＝{Ω₁,Ω₂,…Ω_M}，被校准转台的角速率序列Ω中的Ω_i的值根据需要自行设定，i＝1,2,…M；

2.3)控制被校准转台以给定的角速率Ω_i匀速旋转，基于光纤陀螺的转台校准装置测得的实际角速率值记为Ω_{FOG_i}，得到该角速率点下的相对速率误差为：

2.4)重复步骤2.3)，直到设定的角速率序列Ω中的每个速率点均完成校准；

2.5)根据Ω_i＜1°/s,1°/s≤Ω_i＜10°/s,Ω_i≥10°/s这三个档位对设定的被校准转台的角速率序列Ω进行分档，并取每个档位中的最大角速率相对速率误差作为被校准转台在该档位下的角速率误差，

本发明的有益效果：

本发明针对现有的转台误差校准方法中的不足，利用光纤陀螺相比于其它传感器在角速度测量上的独特优势，设计了一种基于光纤陀螺的转台校准装置及校准方法。这种校准装置和校准方法有效地避免了现有的转台校准方法中操作复杂，校准结果不够全面等缺陷，并实现了转台角位置和角速率的一体化测量和校准。此外，这种校准装置小巧轻便，集成度高，便于外检人员携带，也可以很方便地送至计量检定机构(如中国计量科学研究院)进行对应的量值溯源乃至计量建标，之后将其作为标准的校准装置来对其它的转台的误差进行校准，实现量值传递体系中对应的量值传递与溯源，因而在计量领域和实际外检中具有很高的应用价值。

附图说明

图1为利用本发明的校准装置对转台进行校准时的示意图；

其中：被校准转台1，基于光纤陀螺的转台校准装置2，WIFI传输信号3，带WIFI连接和数据接收功能的计算机4。

图2为本发明的校准装置的主视图；

其中：装置底座5，光纤陀螺6，锂电池组7，带WIFI数据发送功能的数据采集板8，装置顶盖9，锂电池组管理模块10。

图3为本发明的校准装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、图2和图3所示，一种基于光纤陀螺的转台校准装置2包括装置底座5、光纤陀螺6、锂电池组7、带WIFI数据发送功能的数据采集板8、装置顶盖9、锂电池组管理模块10。光纤陀螺6和锂电池组7安装在装置底座5上，其中光纤陀螺6位于装置底座5的正中心位置，锂电池组7均匀分布在光纤陀螺6的四周，避免工作过程中由于锂电池组的发热导致的光纤陀螺四周温度分布不均匀而影响光纤陀螺性能的问题。带WIFI数据发送功能的数据采集板8和锂电池组管理模块10安装在装置顶盖9上，其中带WIFI数据发送功能的数据采集板8位于装置顶盖9的正中心位置，锂电池组管理模块10均匀分布在装置顶盖9的四个角上。锂电池组管理模块10和锂电池组7组成整个装置的电源模块，给整个装置供电，能很好地解决应用现场可能存在的供电不便的问题。带WIFI数据发送功能的数据采集板8与光纤陀螺6相连，采集光纤陀螺6的数据并通过WIFI将数据发送出去，避免了传统的有线数据传输过程中由于旋转造成的数据线缠绕等问题。携带光纤陀螺6的数据信息的WIFI传输信号3与带WIFI连接和数据接收功能的计算机4相连，光纤陀螺6的数据最终存储在带WIFI连接和数据接收功能的计算机4中。

应用实施例

1、使用本发明的校准装置对转台进行校准时，转台的角位置误差校准方法如下：

1)将本发明的基于光纤陀螺的转台校准装置2安装在被校准转台1上，设定校准过程中光纤陀螺的标度因数为K，此处设定的标度因数K值为事先在其它场合下(如实验室内)标定好的值，但由于光纤陀螺的标度因数是与安装、应用现场温度都密切相关的量，所以，此处设定的标度因数K值与当前进行转台校准时的实际标度因数值会存在偏差。控制被校准转台1回到绝对零位处，并设计好校准过程中转台需校准的位置点数N(N的取值理论上可以根据实际需要取任意值，N的取值越大，校准的位置点数越多，校准结果越全面，越有说服力)。

2)控制被校准转台1从绝对零位处转动到角位置θ_i(θ_i＝360°/N*i,i＝1,2,3…,N)处，记录下此时基于光纤陀螺的转台校准装置2测得的角度值，记为θ_{FOG_i}，并控制被校准转台1再次回到绝对零位处。

3)重复步骤2，直到选定的N个校准点均完成校准，得到N个校准点处的误差值Δθ_i(Δθ_i＝θ_{FOG_i}-θ_i)。

4)为了消除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差，根据如下的处理方式对校准结果进行处理：

令：

根据最小二乘法得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

因此，在扣除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差后，根据基于光纤陀螺的转台校准装置2得到的被校准转台1在各个校准点处的实际误差Δθ_{i_act}为：

Δθ_{i_act}＝Δθ_i-εθ_i (3)

因此，被校准转台1的角位置误差为：

Δθ＝±max{|Δθ_{i_act}|} (4)

2、在使用本发明的基于光纤陀螺的转台校准装置2完成对被校准转台1的角位置的校准后，基于对被校准转台1的角位置误差进行校准的过程中得到的结果进一步对被校准转台1的角速率误差进行校准，校准过程及步骤如下：

1)在完成被校准转台1的角位置误差校准后，得到在本次校准过程中，实际的光纤陀螺标度因数K_act与初始设定的标度因数K值之间的关系为：

K_act＝K(1+ε) (5)

2)在进行被校准转台1的角速率误差校准之前，先将原先设定好的标度因数K值更改为K_act，并设计好待校准的被校准转台1的角速率序列Ω＝{Ω₁,Ω₂,…Ω_M}，被校准转台1的角速率序列Ω中的Ω_i(i＝1,2,…M)的值根据需要自行设定。

3)控制被校准转台1以给定的角速率Ω_i匀速旋转，基于光纤陀螺的转台校准装置2测得的实际角速率值记为Ω_{FOG_i}，得到该角速率点下的相对速率误差为：

4)重复步骤3)，直到设定的角速率序列Ω中的每个速率点均完成校准。

5)根据Ω_i＜1°/s,1°/s≤Ω_i＜10°/s,Ω_i≥10°/s这三个档位对设定的被校准转台1的角速率序列Ω进行分档，并取每个档位中的最大角速率相对速率误差作为被校准转台1在该档位下的角速率误差。

以上所述为使用本发明的基于光纤陀螺的转台校准装置2对被校准转台1的角位置误差和角速率误差进行校准的具体方法。

这种校准装置及校准方法不仅克服了现有的校准方法的缺陷，而且校准过程相比于现有的方法更加方便灵活，校准的结果可以做到更加合理，更加全面，更加具有说服力。此外，这种校准装置集成度高，便于外检人员携带，也可以很方便地送至计量检定机构(如中国计量科学研究院)进行对应的量值溯源乃至计量建标，之后将其作为标准的校准装置来对其它的转台的误差进行校准，实现量值传递体系中对应的量值传递与溯源，因而在计量领域和实际外检中具有很高的应用价值。

Claims (1)

1.一种基于光纤陀螺的转台校准装置，其特征在于，包括装置底座(5)、光纤陀螺(6)、锂电池组(7)、带WIFI数据发送功能的数据采集板(8)、装置顶盖(9)、锂电池组管理模块(10)；光纤陀螺(6)和锂电池组(7)安装在装置底座(5)上，其中光纤陀螺(6)位于装置底座(5)的正中心位置，锂电池组(7)均匀分布在光纤陀螺(6)的四周，带WIFI数据发送功能的数据采集板(8)和锂电池组管理模块(10)安装在装置顶盖(9)上，其中带WIFI数据发送功能的数据采集板(8)位于装置顶盖(9)的正中心位置，锂电池组管理模块(10)均匀分布在装置顶盖(9)的四个角上，锂电池组管理模块(10)和锂电池组(7)组成整个装置的电源模块，给整个装置供电，带WIFI数据发送功能的数据采集板(8)与光纤陀螺(6)相连，携带光纤陀螺(6)的数据信息的WIFI传输信号(3)与带WIFI连接和数据接收功能的计算机(4)相连；

采用所述的基于光纤陀螺的转台校准装置的校准方法，步骤如下：

1.1)将基于光纤陀螺的转台校准装置安装在被校准转台上，设定校准过程中光纤陀螺的标度因数为K，控制被校准转台回到绝对零位处，并设计好校准过程中转台需校准的位置点数N；

1.2)控制被校准转台从绝对零位处转动到角位置θ_i，θ_i＝360°/N*i,i＝1,2,3…,N，记录下此时基于光纤陀螺的转台校准装置测得的角度值，记为θ_{FOG_i}，并控制被校准转台再次回到绝对零位处；

1.3)重复步骤1.2)，直到选定的N个校准点均完成校准，得到N个校准点处的误差值Δθ_i，Δθ_i＝θ_{FOG_i}-θ_i；

1.4)为了消除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差，根据如下的处理方式对校准结果进行处理：

令：

根据最小二乘法得到：

X＝(A^TA)^-1A^TY (2)

在扣除由于设定的标度因数K值与当前应用场景下的实际标度因数值的偏差引起的线性校准误差后，根据基于光纤陀螺的转台校准装置得到的被校准转台在各个校准点处的实际误差Δθ_{i_act}为：

Δθ_{i_act}＝Δθ_i-εθ_i (3)

被校准转台的角位置误差为：

Δθ＝±max{|Δθ_{i_act}|} (4)；

所述的校准方法，基于对被校准转台的角位置误差进行校准的过程中得到的结果进一步对被校准转台的角速率误差进行校准，步骤如下：

2.1)在完成被校准转台的角位置误差校准后，得到在本次校准过程中，实际的光纤陀螺标度因数K_act与初始设定的标度因数K值之间的关系为：

K_act＝K(1+ε) (5)；

2.2)在进行被校准转台的角速率误差校准之前，先将原先设定好的标度因数K值更改为K_act，并设计好待校准的被校准转台的角速率序列Ω＝{Ω₁,Ω₂,…Ω_M}，被校准转台的角速率序列Ω中的Ω_i的值根据需要自行设定，i＝1,2,…M；

2.3)控制被校准转台以给定的角速率Ω_i匀速旋转，基于光纤陀螺的转台校准装置测得的实际角速率值记为Ω_{FOG_i}，得到该角速率点下的相对速率误差为：

2.4)重复步骤2.3)，直到设定的角速率序列Ω中的每个速率点均完成校准；

2.5)根据Ω_i＜1°/s,1°/s≤Ω_i＜10°/s,Ω_i≥10°/s这三个档位对设定的被校准转台的角速率序列Ω进行分档，并取每个档位中的最大角速率相对速率误差作为被校准转台在该档位下的角速率误差，

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