CN113175941B - 基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，采用手动双轴转台进行实施，具体按照以下步骤实施：将激光陀螺和加速度计安装完毕，控制转台按照预设的标定路径进行转动，在每个位置都会停留5～10分钟采集x轴陀螺仪的数据及x轴和y轴加速度计的数据；根据标定流程中采集陀螺仪和加速度计的数据进行激光陀螺参数的解算；根据标定路径中采集陀螺仪和加速度计的数据进行加速度计参数的解算。本发明利用双轴转台实现更高精度的参数辨识，提高了寻北精度的特点。

Description

基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法。

背景技术

激光陀螺寻北仪经过长时间的使用后，由于惯性器件的原因会造成精度降低的现象，需要对器件进行再次标定才可以满足使用要求。一种方法是手动直接对激光陀螺寻北仪进行不同位置的旋转，然后根据这些位置的数据来辨识出寻北仪的所有误差参数。虽然这种方法不依赖转台，但获得的误差参数精度不高，不适用于提供高精度的地理方位基准。另一种方法就是利用双轴转台进行标定，将激光陀螺寻北仪放在双轴转台上进行旋转，进行8个位置标定，可以获得所有误差参数，此方法不仅对转位机构的到位精度要求较高，而且还可以标定出激光陀螺和加速度计的安装误差角，且精度较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，解决了现有技术中存在的寻北系统中存在的标定问题，并且具有利用双轴转台实现更高精度的参数辨识，提高了寻北精度的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，采用手动双轴转台进行实施，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光陀螺和加速度计安装完毕，控制转台按照预设的标定路径进行转动，在每个位置都会停留5～10分钟采集x轴陀螺仪的数据及x轴和y轴加速度计的数据；

步骤2、根据步骤1的标定流程中采集陀螺仪和加速度计的数据进行激光陀螺参数的解算；

步骤3、根据步骤1的标定路径中采集陀螺仪和加速度计的数据进行加速度计参数的解算。

本发明的特点还在于：

所述步骤1的标定路径，具体为：

以导航坐标系为准，建立空间坐标系，选定任意一点标定路径的初始位置；

由初始位置绕y轴顺时针旋转90°，到达第二位置；

由第二位置绕z轴旋转90°到达第三位置；

由第三位置绕z轴旋转90°到达第四位置；

由第四位置绕z轴旋转90°到达第五位置；

由第五位置绕z轴旋转90°、绕y轴逆时针旋转90°到达第六位置；

初始位置到第六位置静止采集数据即可；

在第六位置时绕z轴正反转采集数据，然后再绕y旋转180°到达第七位置；

在第七位置时绕y轴正反转采集数据，由第七位置绕z轴旋转90°到达第八位置，如图1(7)所示，然后绕x轴正反转采集数据。

步骤2的激光陀螺参数的解算具体步骤为：

a、根据第八位置采集的数据计算出陀螺仪的刻度系数K_Gx，计算式如下：

式(1)中，N_Gx+-表示陀螺正反转脉冲数据；

b、根据第二位置至第五位置采集的数据计算出陀螺仪的零偏ε^b′，计算式如下：

式(2)中，N_Gx1、N_Gx2、N_Gx3、N_Gx4表示4个位置的陀螺脉冲数据；

c、根据第六位置、第七位置采集的数据分计算陀螺仪相对于z轴、y轴的不正交角度ξ_xz、ξ_xy；

ω_x≈ω^b′sinξ_xz (3)

ω_x≈ω^b′sinξ_xy (4)

式(3)、(4)中，ω^b′为陀螺初始的角速率输出，ω_x为补偿误差角后的角速率输出。

步骤3的加速度计的解算具体步骤为：

a、根据步骤1的第二位置至第五位置采集的数据得到x轴加速度计和y轴加速度计的刻度系数K_Ax、K_Ay和零偏

式(5)至(8)中，N_Ax+、N_Ax-，N_Ay+、N_Ay-分别表示加速度计朝天向、地向的采样输出脉冲，分别表示加速度计朝天向、地向的比力输入；

b、根据第三位置、第一位置采集的数据计算x轴加速度计相对于y轴、z轴的误差角α_xy、α_xz，计算式如下：

f_x≈gsinα_xy (9)

f_x≈gsinα_xz (10)

式(9)、(10)中，g为重力加速度，f_x为加速度计输出脉冲经过近似的刻度系数；

c、第二位置、初始位置采集的数据计算y轴加速度计相对于x轴、z轴的误差角η_xy、η_xz，计算式如下：

f_y≈gsinη_xy (11)

f_y≈gsinη_xz (12)

式(11)、(12)中，f_y为零偏补偿后得到的较为准确的比力输入。

为得到更精确的精度，步骤2或步骤3循环迭代2～3次。

本发明的有益效果是：

1、本发明将安装好的激光陀螺仪和加速度计安置于手动双轴转台上，按照预设的标定路径顺序依次转动，完成一次约为0.8～1.2小时的完整闭合标定路径，然后根据获得的标定数据解算获得陀螺仪和加速度计的参数估计。

2、本发明操作简单明了，配合高精度的转位机构和平台设备可得到更准确陀螺仪和加速度计的数据。

附图说明

图1是本发明一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法的器件参数标定总路径图；

图2是本发明一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法的四位置的陀螺仪和加速度计的输出曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，采用手动双轴转台进行实施，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光陀螺和加速度计安装完毕，控制转台按照预设的标定路径进行转动，在每个位置都会停留5～10分钟采集x轴陀螺仪的数据及x轴和y轴加速度计的数据；

步骤2、根据步骤1的标定流程中采集陀螺仪和加速度计的数据进行激光陀螺参数的解算；

步骤3、根据步骤1的标定路径中采集陀螺仪和加速度计的数据进行加速度计参数的解算。

步骤1的标定路径，如图1所示，具体为：

以导航坐标系(即东北天坐标系)为准，建立空间坐标系，选定任意位置为标定路径的初始位置，如图1(1)所示；

由初始位置绕y轴顺时针旋转90°，到达第二位置，如图1(2)所示；

由第二位置绕z轴旋转90°到达第三位置，如图1(3)所示；

由第三位置绕z轴旋转90°到达第四位置，如图1(4)所示；

由第四位置绕z轴旋转90°到达第五位置，如图1(5)所示；

由第五位置绕z轴旋转90°、绕y轴逆时针旋转90°到达第六位置，如图1(6)所示；

所述初始位置到第六位置都是利用采集的静止数据进行陀螺仪和加速度计的参数解算；

在第六位置时绕z轴正反转采集数据，然后再绕y旋转180°到达第七位置，如图1(7)所示；

在第七位置时绕y轴正反转采集数据，由第七位置绕z轴旋转90°到达第八位置，如图1(7)所示，然后绕x轴正反转采集数据。

其中图1(2)、图1(3)、图1(4)、图1(5)、图1(6)、图1(7、)图1(8)可以辨识出陀螺仪的参数，图1(1)～图1(5)用来辨识加速度计的参数，图1(6)、图1(7)、图1(8)分别表示按照z、y、x正反转；

步骤2的激光陀螺参数的解算具体步骤为：

a、根据第八位置采集的数据计算出陀螺仪的刻度系数K_Gx，计算式如下：

式(1)中，N_Gx+-表示陀螺仪正反转脉冲数据；

b、根据第二位置至第五位置采集的数据计算出陀螺仪的零偏ε^b′，计算式如下：

式(2)中，N_Gx1、N_Gx2、N_Gx3、N_Gx4表示4个位置的陀螺脉冲数据；

c、根据第六位置、第七位置采集的数据分计算陀螺仪相对于z轴、y轴的不正交角度ξ_xz、ξ_xy；

ω_x≈ω^b′sinξ_xz (3)

ω_x≈ω^b′sinξ_xy (4)

式(3)、(4)中，ω^b′为陀螺初始的角速率输出，ω_x为补偿误差角后的角速率输出。

步骤3的加速度计的解算具体步骤为：

a、根据步骤1的第二位置至第五位置采集的数据得到x轴加速度计和y轴加速度计的刻度系数K_Ax、K_Ay和零偏

式(5)至(8)中，N_Ax+、N_Ax-，N_Ay+、N_Ay-分别表示加速度计朝天向、地向的采样输出脉冲，分别表示加速度计朝天向、地向的比力输入；

b、根据第三位置、第一位置采集的数据计算x轴加速度计相对于y轴、z轴的误差角α_xy、α_xz，计算式如下：

f_x≈g sinα_xy (9)

f_x≈g sinα_xz (10)

式(9)、(10)中，g为重力加速度，f_x为加速度计输出脉冲经过近似的刻度系数；

c、第二位置、初始位置采集的数据计算y轴加速度计相对于x轴、z轴的误差角η_xy、η_xz，计算式如下：

f_y≈g sinη_xy(11)

f_y≈g sinη_xz (12)

式(11)、(12)中，f_y为零偏补偿后得到的较为准确的比力输入。

若追求更高的精度，将步骤2或步骤3循环迭代2～3次。

误差补偿

获得陀螺仪和加速度计的标定参数后，对陀螺仪和加速度计进行误差补偿，得到更为精确的输出，可采用陀螺仪的补偿模型：

陀螺仪刻度系数和零偏的补偿：

其中为陀螺仪经过刻度系数和零偏补偿后的输出；

陀螺仪安装误差角的补偿：

其中，为陀螺仪补偿与z轴相关的安装误差角后的输出。

经过刻度系数和零偏补偿后的陀螺输出是在陀螺坐标系中。所以要将陀螺仪输出转换到壳体坐标系。假设为通过计算得到的姿态矩阵。则寻北仪的姿态矩阵就是：

其中为壳体系到陀螺系的转换矩阵。

补偿了安装误差角后的陀螺仪输出，就可以达到更高的精度要求，满足更多的应用场合。

加速度计刻度系数和零偏的补偿：

其中为加速度计经过刻度系数和零偏补偿后的输出。

加速度计安装误差角的补偿：

其中，为加速度计补偿与z轴相关的安装误差角后的输出。

其中，为加速度计补偿与水平角相关的安装误差角后的输出，其中

得到的陀螺仪和加速度计参数要保证一定的一致性和重复性。为了验证估计参数的准确性，采用一般的四位置方法佐证参数的可靠性，即在两两对称的位置分别采集数据，每个位置之间相隔90°，每个位置静止约10min。图2为四位置的陀螺仪和加速度计的输出曲线。

表1补偿误差后的寻北仪结果

从表1中可以看出，通过四位置方法观察补偿误差后的寻北仪结果，可以看到计算的寻北值和姿态角与参考的相差不大，都有一定程度的提高。

Claims (4)

1.一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，其特征在于，采用手动双轴转台进行实施，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光陀螺和加速度计安装完毕，控制转台按照预设的标定路径进行转动，在每个位置都会停留5～10分钟采集x轴陀螺仪的数据及x轴和y轴加速度计的数据；

步骤2、根据步骤1的标定流程中采集陀螺仪和加速度计的数据进行激光陀螺参数的解算；

步骤3、根据步骤1的标定路径中采集陀螺仪和加速度计的数据进行加速度计参数的解算；

所述步骤2的激光陀螺参数的解算具体步骤为：

a、根据第八位置采集的数据计算出陀螺仪的刻度系数K_Gx，计算式如下：

式(1)中，N_Gx+-表示陀螺正反转脉冲数据；

b、根据第二位置至第五位置采集的数据计算出陀螺仪的零偏ε^b′，计算式如下：

式(2)中，N_Gx1、N_Gx2、N_Gx3、N_Gx4表示4个位置的陀螺脉冲数据；

c、根据第六位置、第七位置采集的数据分计算陀螺仪相对于z轴、y轴的不正交角度ξ_xz、ξ_xy；

ω_x≈ω^b′sinξ_xz (3)

ω_x≈ω^b′sinξ_xy (4)

式(3)、(4)中，ω^b′为陀螺初始的角速率输出，ω_x为补偿误差角后的角速率输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，其特征在于，所述步骤1的标定路径，具体为：

以导航坐标系为准，建立空间坐标系，选定任意位置为标定路径的初始位置；

由初始位置绕y轴顺时针旋转90°，到达第二位置；

由第二位置绕z轴旋转90°到达第三位置；

由第三位置绕z轴旋转90°到达第四位置；

由第四位置绕z轴旋转90°到达第五位置；

由第五位置绕z轴旋转90°、绕y轴逆时针旋转90°到达第六位置；

所述初始位置到第六位置是采集陀螺仪和加速度计的静止数据；

在第六位置时绕z轴正反转采集数据，然后再绕y旋转180°到达第七位置；

在第七位置时绕y轴正反转采集数据，由第七位置绕z轴旋转90°到达第八位置，然后绕x轴正反转采集数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，其特征在于，所述步骤3的加速度计的解算具体步骤为：

a、根据步骤1的第二位置至第五位置采集的数据得到x轴加速度计和y轴加速度计的刻度系数K_Ax、K_Ay和零偏

式(5)至(8)中，N_Ax+、N_Ax-，N_Ay+、N_Ay-分别表示加速度计朝天向、地向的采样输出脉冲，分别表示加速度计朝天向、地向的比力输入；

b、根据第三位置、第一位置采集的数据计算x轴加速度计相对于y轴、z轴的误差角α_xy、α_xz，计算式如下：

f_x≈gsinα_xy (9)

f_x≈gsinα_xz (10)

式(9)、(10)中，g为重力加速度，f_x为加速度计输出脉冲经过近似的刻度系数；

c、第二位置、初始位置采集的数据计算y轴加速度计相对于x轴、z轴的误差角η_xy、η_xz，计算式如下：

f_y≈gsinη_xy (11)

f_y≈gsinη_xz (12)

式(11)、(12)中，f_y为零偏补偿后得到的较为准确的比力输入。

4.根据权利要求2所述的一种基于双轴转台的激光陀螺寻北仪参数辨识方法，其特征在于，所述步骤2或步骤3循环迭代2～3次。