CN113945227B - 一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量领域，具体公开了一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法，第一步：静态三轴标校及解耦；第二步：离心台6方向扣零位归一；第三步：单轴全量程校准。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离心台上进行了试验验证。本发明可使产品的加速度计在全量程输出精度大大提升。

Description

一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法
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加速度计全量程进行校准的方法。
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，需要解决加速度计三轴精度问题，这同时涉及到三轴加计耦合特性和单轴加计全量程精度的问题。传统的做法是对加速度计在一个重力加速度的条件下的输出进行标校，使得三轴加计在0g和±1g的条件下输出精度尽可能高，从而用小量程的精度来保证大量程的精度。这种方法简单易操作，对标定设备要求低。但这仅适用于量程小或者对大量程数据精度要求不高的产品，若需要高精度的大量程数据时，使用传统方法的结果就不够理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种惯性测量单元全量程加速度标校方法，不再采用单一的静态标校，而是分步进行，引入离心台，进行高精度标定。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高精度离心台上进行了试验验证，本发明可使产品的加速度计在全量程输出精度大大提升。
惯性测量单元是导弹的重要组成部分，它依据内置的三个角速率陀螺、三个加速度计，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，一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：静态24位置1G条件下的三轴加速度计解耦及标校。
标校时，X轴朝天，Y轴分别朝向东南西北各测试一次30s均值后，取四个位置的均值，从而使得水平台本身的零位偏差不对标校结果造成影响。其余5个方向同理。
第二步：离心台6方向零位归一。
X轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的X正向零位。X轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的X负向零位。在进行下一步骤前，将后续测到的加速度值扣掉对应的零位，达到零位归一化，使得设备误差和安装误差不对标校结果造成影响。其余两个方向同理。
第三步：单轴加速度计全量程校准。
将归一化后的加速度数据分别进行三阶拟合，计算出三阶拟合参数，将参数代入，即可得到标定后校准后的高精度加速度数据。
本发明特点和效果
为了体现本方法比传统方法的优势，将数据列出，从表中可以看出：敏感轴的最大偏差由134mg降为17mg，降幅达到了87％。
另外，本方法使用离心台的离心加速度来模拟俯仰、偏航、滚转的加速度，大大降低了对试验场地的要求，使得标定方法合理可行。
附图说明
图1是本发明的标校流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细描述。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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法，第一步：静态三轴标校及解耦；第二步：离心台六方向扣零位归一；第三步：单轴全量程校准。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离心台上进行了试验验证。
其中惯性测量单元是导弹的重要组成部分，它依据内置的三个角速率陀螺、三个加速度计，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。
具体方法如下：
第一步，静态解耦
加速度计系统误差包括由于安装非正交性造成的交叉耦合以及零位偏差，通过静态六位置标校方法对加速度计系统误差进行校准补偿。
1.1补偿原理
根据加速度计耦合误差分析，加速度计耦合误差模型如下：
a＝F*A+D (式1)
式中，F为加计交叉耦合误差及标度因数矩阵；D为加速度计零偏矩阵；A为解耦后的的X轴加计输出(理论值)，a为实测未解耦的X轴陀加计输出(实测值)，令G＝[1A’]；Q＝[DF]，
对式1取转置：
故可由G和a求得Q：Q′＝(G′G)-1G′a′
通过上式，实现D、F矩阵的求解，校准后加速度输出如下式所示。
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.翻动六面体式产品X轴朝下，重复步骤b～e；
g.翻动六面体式产品Y轴朝上，重复步骤b～e；
h.翻动六面体式产品Y轴朝下，重复步骤b～e；
i.翻动六面体式产品Z轴朝上，重复步骤b～e；
j.翻动六面体式产品Z轴朝下，重复步骤b～e；
测量值带入上式3中，即可求得D、F矩阵。
第二步，零位归一化
2.1补偿原理
对于每一个加速度计芯片而言，它当下的零偏是固定的。而在离心台上测试时，X轴指向圆心与X轴背向圆心测出的零位略有差异，这是由设备误差和安装误差共同导致的。在进行标定前，需将零位统一调整到0。
2.2补偿方法
X轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的X正向零位，命名为△X0+。转动离心台，获得1G离心加速度下的输出X1，则归一化后应当为(X1-△X0+)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UX1。
X轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的X负向零位，命名为△X0-。转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出X-1，则归一化后应当为(X-1-△X0-)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UX2。
Y轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的Y正向零位，命名为△Y0+。转动离心台，获得1G离心加速度下的输出Y1，则归一化后应当为(Y1-△Y0+)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UY1。
Y轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的Y负向零位，命名为△Y0-。转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出Y-1，则归一化后应当为(Y-1-△Y0-)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UY2。
Z轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的Z正向零位，命名为△Z0+。转动离心台，获得1G离心加速度下的输出Z1，则归一化后应当为(Z1-△Z0+)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UZ1。
Z轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的Z负向零位，命名为△Z0-。转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出Z-1，则归一化后应当为(Z-1-△Z0-)。同理可获得其他归一化后的离心加速度数据。命名为UZ2。
第三步、单轴加速度计全量程校准
3.1补偿原理
对单轴归一化后的加速度值进行三阶拟合，拟合得到的参数代入输出数据中，即可获得标定后的数据。
3.2补偿方法
将第二步获得的UX1与UX2拼接成一个列向量UX，将UY1与UY2拼接成一个列向量UY，将UZ1与UZ2拼接成一个列向量UZ，将离心台输入命名为G，
在MATLAB内使用polyfit(UX,G,3)命令获得三阶参数px。该参数为一个4*1的矩阵。
在MATLAB内使用polyval(px,UX)即可获得仿真后的标定数据。验证无误后，即可将该参数写入嵌入式软件中，达到标定的目的。
其余两轴标定方法同理。
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)

1.一种基于离心台的惯性测量单元全量程加速度标校方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：静态24位置1G条件下的三轴加速度计解耦及标校，标校时：
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.翻动六面体式产品X轴朝下，重复步骤b～e；
g.翻动六面体式产品Y轴朝上，重复步骤b～e；
h.翻动六面体式产品Y轴朝下，重复步骤b～e；
i.翻动六面体式产品Z轴朝上，重复步骤b～e；
j.翻动六面体式产品Z轴朝下，重复步骤b～e；
根据加速度计耦合误差分析，加速度计耦合误差模型如下：
a＝F*A+D (式1)
式中，F为加计交叉耦合误差及标度因数矩阵；D为加速度计零偏矩阵；A为解耦后的的X轴加计输出理论值，a为实测未解耦的X轴陀加计输出实测值；
第二步：离心台6方向零位归一：
X轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的X正向零位，X轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的X负向零位，在进行下一步骤前，将后续测到的加速度值扣掉对应的零位，达到零位归一化，使得设备误差和安装误差不对标校结果造成影响，其余两个方向同理；具体补偿方法如下：
X轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的X正向零位，命名为△X0+，转动离心台，获得1G离心加速度下的输出X1，则归一化后应当为X1-△X0+，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UX1；
X轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的X负向零位，命名为△X0-，转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出X-1，则归一化后应当为X-1-△X0-，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UX2；
Y轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的Y正向零位，命名为△Y0+，转动离心台，获得1G离心加速度下的输出Y1，则归一化后应当为Y1-△Y0+，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UY1；
Y轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的Y负向零位，命名为△Y0-，转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出Y-1，则归一化后应当为Y-1-△Y0-，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UY2；
Z轴指向圆心将产品通过转接工装安装在离心台上，测试产品的Z正向零位，命名为△Z0+，转动离心台，获得1G离心加速度下的输出Z1，则归一化后应当为Z1-△Z0+，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UZ1；
Z轴背向圆心安装在离心台上，测试产品的Z负向零位，命名为△Z0-，转动离心台，获得-1G离心加速度下的输出Z-1，则归一化后应当为Z-1-△Z0-，同理可获得其他归一化后的离心加速度数据，命名为UZ2；
第三步：单轴加速度计全量程校准：
将归一化后的加速度数据分别进行三阶拟合，计算出三阶拟合参数，将参数代入，即可得到标定后校准后的高精度加速度数据，具体补偿方法如下：
将第二步获得的数据UX1与UX2拼接成一个列向量UX，将UY1与UY2拼接成一个列向量UY，将UZ1与UZ2拼接成一个列向量UZ，将离心台输入命名为G；
在MATLAB内使用polyfit(UX,G,3)命令获得三阶参数px，该参数为一个4*1的矩阵；
在MATLAB内使用polyval(px,UX)即可获得仿真后的标定数据，验证无误后，即可将该参数写入嵌入式软件中，达到标定的目的；
其余两轴标定方法同理。
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