CN113776558B - 一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，包括以下步骤：确定水平基准面，记录惯导的内外环初始零位；对惯导系统进行粗对准；对惯导的内环轴以正反转的方式进行旋转；对惯导系统进行卡尔曼滤波精对准；记录精对准后惯导系统的俯仰角；计算获得外环零位；将外环轴转动到计算获得的外环零位上；控制外环正向旋转90°，转动到位后控制内环轴正向旋转90°，记录转动后的俯仰角θ内；计算获得内环零位θ内0；将内环轴转动到计算获得的内环零位θ内0上。本发明提高转台零位的标定精度，进一步提升旋转调制惯导系统的姿态输出精度。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法。
背景技术
对于带转位机构的旋转调制惯导系统，往往由于装配的原因，即便是在设计结构的时候，通过标识线的方式，对内外环框架进行了对齐设计，生产后的转位机构的零位与设计的零位仍会存在或多或少的偏差，这是不可避免。当内环轴零位存在偏差时，外环轴旋转时IMU会在两个轴上存在角速度输出，外环轴同理，在设计旋转调制次序时是在内环轴坐标系与外环轴坐标基本重合的情况下进行设计，当存在偏差时，系统的旋转调制效果将受到影响，同时还会影响姿态的解调精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
本发明的技术解决方案：
一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，包括以下步骤：
确定水平基准面，记录惯导的内外环初始零位NH_INIT、WH_INIT；
对惯导系统进行粗对准；
在粗对准完成的基础上，对惯导的内环轴以正反转的方式进行旋转；
对惯导系统进行卡尔曼滤波精对准；
记录精对准后惯导系统的俯仰角θ外；
根据俯仰角θ外、外环初始零位WH_INIT和水平基准面的在俯仰方向上的不水平度β计算获得外环零位θ外0；
将外环轴转动到计算获得的外环零位θ外0上；
控制外环正向旋转90°，转动到位后控制内环轴正向旋转90°，记录转动后的俯仰角θ内；
根据俯仰角θ内、外环初始零位NH_INIT和水平基准面在滚动方向上的不水平度α，计算获得内环零位θ内0；
将内环轴转动到计算获得的内环零位θ内0上。
进一步的，所述的正反转旋转的方式为：内环以10°/s正转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以10°/s正转180°，如此循环n遍。
优选的，所述的n的取值范围：n大于等于4。
进一步的，所述的外环零位θ外0的计算公式为：θ外0＝WH_INIT-θ外-β。
进一步的，所述的内环零位θ内0的计算公式为：θ内0＝NH_INIT-θ内-α。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明通过正反旋转的方式，抵消水平加速度计零位和水平陀螺漂移，从而提高对准过程中水平姿态的精度，并通过将内外环垂直调节的方式，完成内外环的零位调节，提高转台零位的标定精度，准确的内外环零位可进一步提升旋转调制惯导系统的姿态输出精度。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例提供的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法步骤示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的外环轴零位存在偏差时示意图；
图3示出了根据本发明实施例提供的内环轴零位存在偏差时示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明针对带转位机构的惯导系统系统，在装配完成后，不考虑转轴游隙基础上，可以认为产品的内外环轴处于正交状态，标定的机理主要是利用旋转惯导系统的旋转调制对准，获得高精度水平姿态来确定内环轴与水平基准面的偏差。
本文以内环轴为方位轴，外环为俯仰轴的惯导系统为例，当惯导系统放置在水平基准面上，惯导系统对准后的水平姿态应该为零，当外环轴准确的情况下，惯性测量组合的XOZ平面与水平基准面平行，当对准结束时刻惯组的水平姿态角不为零时，此时，X轴与水平面的夹角即为外环轴的零位偏差角，如图2所示。
内环轴的标定方法与内环轴一致，在外环轴标定完成的基础上，将外环轴正转90°，同时内环轴正转90°，将原来的XOZ靠近水平基准面调整为XOY靠近水平基准面。当内环轴准确的情况下，惯性测量组合的XOY平面与水平基准面平行，当对准结束时刻惯组的水平姿态角不为零时，此时，X轴与水平面的夹角即为内环轴的零位偏差角，如图3所示。
从上述分析可以看出，只用得到上述两个条件下惯组OX轴与水平面的夹角(即两种状态下惯性测量组合的俯仰角即可完成转台零位的标定)。
如图1所示，根据本发明实施例提供一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，包括以下步骤：
步骤一，确定水平基准面，记录惯导的内外环初始零位NH_INIT、WH_INIT；
在一个实施例中，在实际条件下，确定的水平基准面可能为标准的水平基准面，也可能为不标准的水平基准面，此时通过水平仪测量出水平基准面的不水平度，记为α与β，其中α为水平基准面在滚动方向的不水平度，β为水平基准面在俯仰方向的不水平度。记录惯导的内外环初始零位NH_INIT、WH_INIT。
步骤二，对惯导系统进行粗对准；
在一个实施例中，对惯导系统上电并开机，利用角速率比力信息/>进行粗对准，确定初始姿态，粗对准方法为本领域技术人员公知常识。
步骤三，在粗对准完成的基础上，对惯导的内环轴以正反转的方式进行旋转；
在一个实施例中正反转旋转的方式为：内环以10°/s正转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以10°/s正转180°，如此循环n遍。优选的在一个实施例中，n的取值范围：n大于等于4，通过多次的正反转旋转抵消水平加速度计零位和水平陀螺漂移，从而提高水平加速度计零位的精度。
步骤四，对惯导系统进行卡尔曼滤波精对准；
在一个实施例中，粗对准结束后，在导航解算的过程中，通过卡尔曼滤波进行姿态最优估计，完成惯导系统的精对准。根据极限精度公式，北向失准角、东向失准角分别取决于等效北向加速度计零位、等效东向加速度计零位，极限精度公式如下所示，对于正反转的旋转调制惯导系统，精对准过程中可以完成水平加速度计零位的精确估计，同时也能对加速度计零位进行调制，因此可以获得角秒级的水平姿态精度。卡尔曼滤波方法、惯导系统水平极限精度的计算为本领域技术人员公知常识。
步骤五，记录精对准后惯导系统的俯仰角θ外；
步骤六，根据俯仰角θ外、外环初始零位WH_INIT和水平基准面的在俯仰方向上的不水平度β计算获得外环零位θ外0；
在一个实施例中，外环零位θ外0的计算公式为：θ外0＝WH_INIT-θ外-β，当水平基准面完全水平时，β为零。
步骤七，将外环轴转动到计算获得的外环零位θ外0上；
计算出外环零位θ外0，即将外环旋转过θ外0即可将外环调整到零位，但内外环转位机构的角度范围为0-360°，当解算出来的转位机构零位角度大于360°或小于0°时，需将其进行处理，处理公式如下：
其中，θ1为外环转位机构的旋转角度。
步骤八，控制外环正向旋转90°，转动到位后控制内环轴正向旋转90°，记录转动后的俯仰角θ内；
步骤九，根据俯仰角θ内、外环初始零位NH_INIT和水平基准面在滚动方向上的不水平度α，计算获得内环零位θ内0。
在一个实施例中，内环零位θ内0的计算公式为：θ内0＝NH_INIT-θ内-α。
步骤十，将内环轴转动到计算获得的内环零位θ内0上；
在一个实施例中，计算出内环零位θ内0，即将内环旋转过θ内0即可将外环调整到零位，但内外环转位机构的角度范围为0-360°，当解算出来的转位机构零位角度大于360°或小于0°时，需将其进行处理，处理公式如下：
其中，θ2为内环转位机构的旋转角度。
为了对本发明提供的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，有更进一步了解，下面结合具体实例及附图进行详细说明。
步骤一，确定水平基准面，将惯导系统置于水平基准面上，此时基准面的不水平度为0，分别记录惯组的内外环初始零位NH_INIT＝0.1°、WH_INIT＝1°。
步骤二，惯导系统上电，惯导系统开机，利用角速率比力信息/>进行粗对准，确定初始姿态；
步骤三，控制转位机构开始正反转旋转调制，正反转的方式为内环以10°/s正转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以10°/s正转180°，对上述操作进行4个循环，总周期不超过5min；
步骤四，在导航解算的过程中，通过卡尔曼滤波进行姿态最优估计，完成惯导系统的精对准；
步骤五，记录精对准后惯导系统的俯仰角θ外；
步骤六，记录精对准结束时刻惯组的俯仰角信息θ外＝0.2°，此时的外环零位为1.0°-0.2°＝0.8°；
步骤七，调整外环转位机构位置，将外环轴转动到正确的零位上，即将外环轴转动至0.8°，此时惯性测量组合的俯仰角输出为零，即惯性测量组合的XOZ平面与水平基准面平行；
步骤八，当外环轴与水平基准面平行后，控制外环轴正向旋转90°，转动至90.8°，转动到位后控制内环轴正向旋转90°，此时惯导系统的俯仰角为0.3°；
步骤九，计算获得内环零位为0.1°-0.3°＝-0.2°；
步骤十，将内环轴转动到计算获得的内环零位θ内0上，转动角度进行0到360°转换后为359.8°。
至此，完成了转位机构内外环转位机构的零位标定。
在一个实施例中，一种介质，存储本发明所述带转位机构的惯导系统转台零位标定方法。
在一个实施例中，一种带转位机构的惯导系统转台，使用本发明所述带转位机构的惯导系统转台零位标定方法进行零位标定。
综上，本发明提供的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，相比于现有技术至少具有以下优势：
本发明通过正反旋转的方式，抵消水平加速度计零位和水平陀螺漂移，从而提高水平加速度计零位的精度，并通过将内外环垂直调节的方式，完成内外环的零位调节，提高转台零位的标定精度，准确的内外环零位可进一步提升旋转调制惯导系统的姿态输出精度。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定水平基准面，记录惯导的内外环初始零位NH_INIT、WH_INIT；
对惯导系统进行粗对准；
在粗对准完成的基础上，对惯导的内环轴以正反转的方式进行旋转；
对惯导系统进行卡尔曼滤波精对准；
记录精对准后惯导系统的俯仰角θ外；
根据俯仰角θ外、外环初始零位WH_INIT和水平基准面的在俯仰方向上的不水平度β计算获得外环零位θ外0；
将外环轴转动到计算获得的外环零位θ外0上；
控制外环正向旋转90°，转动到位后控制内环轴正向旋转90°，记录转动后的俯仰角θ内；
根据俯仰角θ内、外环初始零位NH_INIT和水平基准面在滚动方向上的不水平度α，计算获得内环零位θ内0；
将内环轴转动到计算获得的内环零位θ内0上。
2.根据权利要求1所述的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，其特征在于，所述的正反转旋转的方式为：内环以10°/s正转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以-10°/s反转180°,内环以10°/s正转180°，如此循环n遍。
3.根据权利要求2所述的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，其特征在于，所述的n的取值范围：n大于等于4。
4.根据权利要求1所述的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，其特征在于，所述的外环零位θ外0的计算公式为：θ外0＝WH_INIT-θ外-β。
5.根据权利要求1所述的一种带转位机构的惯导系统转台零位标定方法，其特征在于，所述的内环零位θ内0的计算公式为：θ内0＝NH_INIT-θ内-α。
6.一种带转位机构的惯导系统转台，其特征在于，使用权利要求1-5任一所述带转位机构的惯导系统转台零位标定方法进行零位标定。
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