CN113532432B

CN113532432B - 一种惯性测量的冗余系统及标定方法

Info

Publication number: CN113532432B
Application number: CN202110927329.2A
Authority: CN
Inventors: 邵志浩; 丁波; 杜鹏; 宋长哲; 何健伟; 胡华峰; 许卫国; 徐娅; 王佳丽; 石妙
Original assignee: General Designing Institute of Hubei Space Technology Academy
Current assignee: General Designing Institute of Hubei Space Technology Academy
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-08-09
Also published as: CN113532432A

Abstract

本发明公开了一种惯性测量冗余系统及标定方法，涉及惯性测量技术领域。其包括以下步骤：通过并排设置两套带有转位机构和敏感组件的三自惯性组件；并通过两位置系统标定，确定两套惯组相对位置关系；将其中一套惯组敏感组件旋转至预设角度斜置并锁紧；得到用于冗余判断或重构的敏感信息。本发明采用带有转位机构的三自惯组，其适用性较强，不需要再对惯组进行定制化，可进行批量化生产，降低了成本；且本发明方案不需要实施复杂的标定流程，而仅仅通过简单的两位置系统标定即可确定两套惯组之间的关系。且本发明方案，可实现敏感组件任意精确角度的斜置，为惯性测量系统故障检测提供所需的敏感信息。

Description

一种惯性测量的冗余系统及标定方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，具体涉及一种惯性测量的冗余系统及标定方法。

背景技术

近年来，惯性测量组合逐渐成为飞行器、火箭等领域等高精度领域的核心设备，通常由陀螺、加速度计及相关处理电路组成，具备实时测量运载火箭沿三个箭体轴的视加速度以及绕箭体轴的角速度，将测量结果输出给箭载计算机进行导航与姿态计算，实现对运载火箭的制导和稳定控制。

而受振动、冲击等使用环境的影响，惯性器件容易出现可靠性降低甚至失效等情况，直接影响运载火箭飞行的可靠性。受惯性器件生产工艺水平的限制，为提高惯性测量组合的可靠性，通常采用冗余设计。冗余方法就是当某个传感器发生故障时，用来判定有传感器失效并准确找出这个失效的传感器，同时从正常的传感器输出中获取正确的信息的设计。通常，测量系统的敏感组件需要按三轴正交方式安装，构成一个完整的右手坐标系，而冗余设计按照冗余级别，包括部件级冗余和系统级冗余。部件级冗余即增加惯性器件的数量，包括“八表”、“十表”等多表惯组；冗余斜交配置在正交三轴敏感组件之外，斜置一个或多个陀螺/加速度计测量旋转角速度/加速度。这种冗余方式使用多个器件对同一个轴角速度/加速度冗余测量。系统级冗余即采用两套或多套捷联或平台惯性测量组合。部件级冗余采用的多表惯组的结构较为复杂，而且成本昂贵，应用场合受限，无法形成批量生产。而系统级冗余通常会采用两套或多套惯组并排放置，以单一惯组的测量数据为冗余判断的基本单位，无法更加有效的利用惯组信息提高系统的可靠性。

此外，由于用于安装惯性测量系统的空间有限，上述两种冗余设计需要对惯性测量装置进行定制化固定设计，而惯性测量系统需要定期在地面进行标定，这意味着测量系统需要经历拆卸-标定-再安装，操作流程复杂且周期长给从业者带来不便。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯性测量的冗余系统及标定方法，主要解决了相关技术中标定程序繁琐且复杂的问题。

因此，本发明提供了一种惯性测量系统冗余方法，其包括以下步骤：

设置冗余惯组套件，所述冗余惯组套件包括并排设置的第一惯组和第二惯组，且所述第二惯组装配有转位机构以及敏感组件，所述转位机构包括内框轴和外框轴；

对所述第一惯组和第二惯组进行初始化复位并获取所述第一惯组和第二惯组的基础坐标系，读取所述第一惯组和第二惯组的第一组敏感数据，所述第一组敏感数据包括：所述第一惯组基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Ax1、所述第一惯组基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Az1、所述第二惯组基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Bx1和所述第二惯组基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Bz1；

同时翻转所述第一惯组和第二惯组，再次读取所述第一惯组和第二惯组的测量数据，得到第二组敏感数据，所述第二组敏感数据包括：所述第一惯组的水平角Ax2、Ay2，所述第二惯组的水平角Bx2、By2；

转动所述第二惯组的敏感组件，使其按第一预设角度旋转并锁紧，所述第一预设角度包括：所述第二惯组的外框轴旋转角度θ和内框轴旋转角度φ；

根据所述第一组敏感数据、第二组敏感数据以及所述第一预设角度得出所述第一惯组和所述第二惯组的相对关系。

一些实施例中，所述根据所述第一组敏感数据、第二组敏感数据以及所述第一预设角度得出所述第一惯组和所述第二惯组的相对关系，包括：

根据公式：

Δz＝Bx2-Ax2

Δy＝Bx1-Ax1

Δx＝(Az1-Bz1+Ay2-By2)/2

得到所述第二惯组相对于第一惯组绕Z轴的转动量Δz，所述第二惯组相对于所述第一惯组绕Y轴的转动量Δy，所述第二惯组相对于第一惯组绕X轴的转动量Δx；

根据公式：

得到所述第一惯组和所述第二惯组同时翻转后的所述第一惯组和所述第二惯组相对位置关系

其中

为所述第一惯组和第二惯组在所述转位机构的旋转并锁紧前的相对位置关系；

为所述第二惯组旋转前后的相对位置关系

一些实施例中，所述根据所述第一组敏感数据、第二组敏感数据以及所述第一预设角度得出所述第一惯组和所述第二惯组的相对关系，还包括：

通过公式：

N_A/K_A＝K_0A+K_AxyzAcc1

得到所述第一惯组测量的视加速度矢量Acc1和所述第二惯组的视加速度矢量Acc2，其中N_A为所述第一惯组的加速度计输出脉冲数，K_A所述第一惯组的加速度计当量，N_B为所述第二惯组的加速度计输出脉冲数，K_B所述第一惯组的加速度计当量，K_0A为所述第一惯组的加速度计零位，K_0B为所述第二惯组的加速度计零位，K_Axyz为所述第一惯组的安装误差矩阵，K_Bxyz为所述第二惯组的安装误差矩阵。

一些实施例中，所述第一惯组和第二惯组进行初始化复位并获取所述第一惯组和第二惯组的基础坐标系，读取所述第一惯组和第二惯组的第一组敏感数据，包括：

对所述第一惯组和第二惯组执行复位操作并获取其基础坐标系；

将所述第一惯组和第二惯组吊至滚装架车上，以所述基础坐标系为基准对所述第一惯组和第二惯组进行第一次调平；

第一次调平后，读取所述第一惯组和第二惯组的第一组敏感数据。

一些实施例中，所述同时翻转所述第一惯组和第二惯组，再次读取所述第一惯组和第二惯组的测量数据，得到第二组敏感数据，包括：

以第二预设角度翻转所述第一惯组和所述第二惯组，并以所述基础坐标系为基准对所述滚装架车和舱段进行第二次调平；第二次调平完成后，测量并记录所述第一惯组和第二惯组的第二组敏感数据。

一些实施例中，所述第一次调平中，所述第一惯组和所述第二惯组的调平精度在基础坐标系的X轴和Z轴上优于10′；

所述第二次调平中，所述第一惯组和所述第二惯组的调平精度在X轴和Y轴上优于10′。

一些实施例中，所述以第二预设角度翻转所述第一惯组和所述第二惯组，包括：

将所述第一惯组和所述第二惯组同时逆时针翻转90°。

另一方面提供一种惯性测量的冗余系统，其特征在于，包括：

两套冗余惯组，其用于设置在待测设备中的，所述两套冗余惯组并排设置，所述每套冗余惯组均包括转位机构和敏感组件；

所述转位机构包括外框轴和内框轴，所述内框轴两端与所述外框轴活动连接，且所述内框轴可绕所述外框轴旋转；

所述敏感组件与所述内框轴活动连接，且所述敏感组件既绕内框轴旋转也可以绕外框轴旋转。

一些实施例中，所述转位机构的内框轴和外框轴的转位精度均不大于12″。

一些实施例中，所述两套冗余惯组并排设置在所述待测设备的舱段中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明惯组进行了冗余设计，采用两套带有转位机构的惯性组件可以实现敏感组件的任意精确角度斜置，因此不需要对测量系统进行定制化设计，有利于提高标定的效率，降低成本。

(2)不依赖于精密的标定设备，仅通过简单的两位置系统标定，即可确定两套惯组之间的关系；

(3)本发明通过确定位置关系的两套惯组输出的敏感信息为敏感器件故障分离与检测提供一个可靠的平台。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中惯性测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中两惯组相对位置标定示意图；

图3为本发明实施例中冗余惯性测量系统地面测量步骤示意图；

图4为本发明实施例中冗余惯性测量系统标定方法。

图中：1、第一惯组；2、第二惯组；3、舱段；4、滚装架车。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明中的惯性测量系统冗余设计可用于飞行器、舰艇、导弹等需要导航信息的主体上，惯性组件可设在这些装置的舱段3中。

参见图1所示，本申请实施例中提供了一种惯性测量系统，其包括：

采用两套三自惯组作为冗余惯组套件：第一惯组1和第二惯组2，并根据舱段3安装结构并排安装。三自惯组是具有自标定、自诊断、自对准功能的惯性测量组件，在惯性测量领域得到广泛应用。三自惯组通常由转位机构与惯性敏感组件构成，与传统惯组相比，由于具有转位机构，三自惯组的惯性敏感组件可以根据需要停留在不同位置，包括斜置一定角度。当然了冗余惯组套件也可以设置在设备其他部位，一般设置在所述舱段3中。敏感组件包括：一个或多个陀螺或者一个或多个加速度计。

具体地，本发明中的第二惯组2是一个三自惯组，包括：第二转位机构、第二敏感组件。第二转位机构中又包括内框轴和外框轴，第二敏感组件在结构中既可绕内框轴转动也可以在内框的带动下绕外框轴转动。第二敏感组件参见图2所示的方位进行布置，其内设有加速度计和陀螺仪等常见仪器。转位机构的内框轴和外框轴的转位精度均不大于12″。

参见图1和图2所示，本发明中第一惯组1可选用与第二惯组2相同的通用三自惯组。具体地，通用三自惯组一般包括带有锁紧功能的转位机构、敏感组件和外壳。其中转位机构包括：壳体、壳体外框架上的外框轴和壳体内框上的内框轴。其中敏感组件设在内框轴的一端，其既可以绕内框轴转动也可以在内框的带动下绕外框轴转动。

可以理解的是，第一惯组1的第一敏感组件和第二惯组2的第二敏感组件如图2所示的方向布置。

值得说明的是，本发明的惯性测量系统使用前需要预先确定两套三自惯组中的敏感组件中的预设数据，其包括：两惯组加速度计输出当量、加速度计零位和多个加速度计的安装误差矩阵；以及陀螺零位、陀螺输出当量以及敏感组件内多个陀螺安装误差矩阵。

如图3和图4所示，本发明提供一种惯性测量冗余系统的标定方法的具体实施例：

S1.在舱段3中并排设置两套三自惯组：第一惯组1和第二惯组2，对第一惯组1和第二惯组2进行初始化复位，得到第一惯组1的基础坐标系X₁Y₁Z₁和第二惯组2的基础坐标系X₂Y₂Z₂。之后给惯组断电，并将舱段3吊至滚转架车4的顶部。

应当说明的是，滚装架车4顶部设有可以按照图3所示滚转方向进行滚动的部件。其可带动位于滚装架车4上的舱段进行翻转。

S2.翻转所述舱段3，通过测量所述惯性测量系统翻转前后两个位置的输出数据，得到第一输出数据和第二输出数据。

具体地，参见图3所示：在执行翻转舱段3步骤前，一些实施例中需要先给惯组断电，然后将舱段3吊至滚转架车4上。其中滚转架车4可以按照图3所示滚转方向进行滚动。再通过地面测试设备为两套三自惯组供电，进行第一次调平，第一次调平结束后对两套惯组进行进行测量和收集得到第一输出数据，其包括:记录第一惯组1的水平角Ax1、Az1，第二惯组2的水平角Bx1、Bz1。

值得说明的是，第一次调平是以之前记录的对应惯组的基础坐标系位置X₁Y₁Z₁和X₂Y₂Z₂为基准对两个惯组进行调整。调平过程可以是调整滚装架车4的高度或其他方面进行调整，使两个惯组内的敏感组件都回到到初始化的零角度位置。

具体地，通过滚装架车4带动舱段3按第二预设角度翻转，再次进行调平，同样第二次调平是以之前记录的对应惯组的基础坐标系位置X₁Y₁Z₁和X₂Y₂Z₂为基准对两个惯组进行调整，使两个惯组都回复到初始化的零角度位置。第二次调平结束后对两套惯组进行进行测量和收集得到第一输出数据，其包括第一惯组1基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Ax1、所述第一惯组1基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Az1、所述第二惯组2基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Bx1和所述第二惯组2基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Bz1。第二次调平与第一次调平同理。

优选地，滚装架车4带动舱段3逆时针滚转90°翻转，转动该角度对计算较为方便。

可以理解的是，第一惯组1和所述第二惯组2的调平精度在X轴和Z轴上优于10′；第一惯组1和所述第二惯组2的调平精度在X轴和Y轴上优于10′。该精度下可以保持两套惯组在多次改变位置后，其位置偏差较小。

S3.通过所述第二惯组(2)的第二转位机构将第二敏感组件旋转至第一预设角度并锁紧；根据所述第一输出数据、所述第二输出数据以及所述第二惯组的旋转角度得出所述第一惯组1和所述第二惯组2的相对位置关系；

值得说明的是，可通过现有的第一输出数据和第二输出数据计算双惯组标定结果：

首先，通过

Δy＝Bx1-Ax1

Δz＝Bx2-Ax2

求得：第二惯组2相对于第一惯组1绕X轴的转动量Δx；第二惯组2相对于第一惯组1绕Y轴的转动量Δy；第二惯组2相对于第一惯组1绕Z轴的转动量Δz，三个转动量数据极性符合右手定则为正。

再通过上述三个方向上的转动量Δx，Δy，Δz得到第一惯组1和第二惯组2的在第二惯组2斜置前的相对关系如下：

接下来将第二惯组2的旋转第一预设角度，为了使第二惯组2的第二敏感组件达到预设位置，需要通过第二转位机构中的内框轴和外框轴各自转动一定角度，其中外框轴旋转角度为θ，内框轴旋转角度为

由此通过上述的公式(1)和旋转角度数据得到公式(2)：

式中

为第二惯组2在旋转前后的相对关系，通过公式(3)求得第二惯组2斜置后，两套惯组的最终相对关系

通过所述第二惯组2的第二转位机构将第二敏感组件旋转至第一预设角度并锁紧；

再根据所述第一输出数据、所述第二输出数据以及所述第二转位机构的旋转角度得出所述第一惯组1和所述第二惯组2的相对位置关系：

S4.通过所述第一惯组1和所述第二惯组2的相对位置关系、其测量数据和现有数据得到加速度计输出模型和陀螺输出模型。

具体地，如公式(4)和公式(5)所示：

N_A/K_A＝K_0A+K_AxyzAcc1 (4)

其中，Acc1为第一惯组1测量的视加速度矢量Acc1和Acc2为第二惯组2的视加速度矢量，N_A/K_A、N_B/K_B为两惯组加速度计输出脉冲数(N_A和N_B)与当量(K_A和K_B)比值，其中两惯组加速度计输出脉冲数为设备测量值，当量值为预先设定值；K_0A、K_0B为设定好的的加速度计零位。K_Axyz、K_Bxyz为已测得的加表安装误差矩阵；其中Acc1和Acc2均为惯性测量冗余系统的加速度矢量，只是Acc1由第一惯组1测得，Acc2为第二惯组测得。根据两组加速度矢量Acc1和Acc2得到的加速度计输出模型，用以做冗余判断之用。

同样，还可以根据公式(6)、公式(7)：

NG_A/E_A＝D_0A+E_Axyzω1 (6)

得到第一惯组1所测量的角速度矢量ω1和第二惯组2所测量的角速度矢量ω2，NG_A/E_A、NG_B/E_B为惯组陀螺输出脉冲数(NG_A与NG_B)对应惯组的当量(E_A和E_B)比值；D_0A、D_0B为预先已知的陀螺仪零位；E_Axyz、E_Bxyz为预先已知的陀螺仪安装误差矩阵；其中ω1和ω2均为惯性测量冗余系统的角速度矢量，只是ω1由第一惯组1测得，ω2为第二惯组测得。根据两组角速度矢量ω1和ω2求得的陀螺仪输出模型，用以做冗余判断之用。

最后，地面测试设备将上述模型装订给箭上其他控制单机，箭上单机通过广义似然比故障检测等方法对两惯组输出的敏感数据进行故障检测与隔离，并提供导航解算。

综上所述，本发明实施例中的惯性测量系统冗余方法通过设置两个三自惯组，借助三自惯组的转位机构可以实现敏感组件的任意角度的斜置。因此测量系统不需要受制于空间有限而进行定制化设计。所以本发明有利于提高批量制造，降低成本。同时，本发明通过相对简单的两位置系统标定方法确定两套惯组之间的关系，因此不需要依赖精密的标定设备和繁琐的拆卸-标定-再安装的复杂步骤。另一方面，通过确定位置关系的两套惯组输出的冗余信息可以为高空飞行装置的敏感器件故障分离与检测提供一个可靠的信息测量及收集平台。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种惯性测量冗余系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置冗余惯组套件，所述冗余惯组套件包括并排设置的第一惯组（1）和第二惯组（2），且所述第二惯组（2）装配有转位机构以及敏感组件，所述转位机构包括内框轴和外框轴；

对所述第一惯组（1）和第二惯组（2）进行初始化复位并获取所述第一惯组（1）和第二惯组（2）的基础坐标系，读取所述第一惯组（1）和第二惯组（2）的第一组敏感数据，所述第一组敏感数据包括：所述第一惯组（1）基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Ax1、所述第一惯组（1）基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Az1、所述第二惯组（2）基础坐标系中的X轴与水平面的夹角Bx1和所述第二惯组（2）基础坐标系中的Z轴与水平面的夹角Bz1；

同时翻转所述第一惯组（1）和第二惯组（2），再次读取所述第一惯组（1）和第二惯组（2）的测量数据，得到第二组敏感数据，所述第二组敏感数据包括：所述第一惯组（1）的水平角Ax2、Ay2，所述第二惯组（2）的水平角Bx2、By2；

转动所述第二惯组（2）的敏感组件，使其按第一预设角度旋转并锁紧，所述第一预设角度包括：所述第二惯组（2）的外框轴旋转角度θ和内框轴旋转角度φ；

计算所述第一惯组（1）和所述第二惯组（2）的相对关系；其中，根据公式：

∆z=Bx2-Ax2

∆y=Bx1-Ax1

∆x=(Az1-Bz1+Ay2-By2)/2

得到所述第二惯组（2）相对于第一惯组（1）绕Z轴的转动量∆z，所述第二惯组（2）相对于所述第一惯组（1）绕Y轴的转动量∆y，所述第二惯组（2）相对于第一惯组（1）绕X轴的转动量∆x；

根据公式：