專利名稱：一種基于旋轉機構的陀螺與加速度相關漂移的標定與補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陀螺誤差標定與補償方法，可應用于加速度計等其他慣性器件的誤差標定與補償，屬于慣性器件測試、慣性導航領域。
背景技術：
慣性導航系統(tǒng)具有全自主、高隱蔽性、高帶寬、連續(xù)輸出等特點，在國防上具有戰(zhàn)略意義，是航空、航天、航海等領域中最重要的設備之一。慣性器件(陀螺和加速度計)的性能是影響慣導系統(tǒng)精度的最為主要的因素，慣導系統(tǒng)誤差的80%由器件誤差引起，因此，提高慣性器件的精度是慣性技術發(fā)展過程中最為主要的研究內(nèi)容。提高慣性器件的精度往往有兩條途徑(1)通過改變慣性器件的工作原理或改進器件的加工工藝來提高器件的性能；( 通過先進的測試手段對器件進行誤差建模與標定，通過誤差補償?shù)姆椒▉硖岣咂骷阅?。一般情況下，途徑(1)所述的改進慣性器件的加工工藝往往需要付出較大的代價，器件的成本也將大大提高。途徑( 所述的先進的測試方法往往需要先進的測試設備為基礎，一般情況下，慣性器件的測試設備往往比較昂貴，而且測試過程繁瑣，需要投入大量的實驗時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于小型旋轉機構的陀螺與加速度相關誤差標定與補償方法，該方法能快速、準確地標定出陀螺與加速度相關漂移的模型參數(shù)，具有準確、高效、易操作、高通用性等優(yōu)點。本發(fā)明的技術解決方案是一種基于旋轉機構的陀螺與加速度相關漂移的標定與補償方法，其實現(xiàn)步驟如下第一步，制作旋轉機構，所述的旋轉機構由力矩電機(5)、光柵(3)、旋轉軸、陀螺信號采集系統(tǒng)(8)、光柵測角信號采樣系統(tǒng)(9)、陀螺儀安裝平臺(6)和電機控制系統(tǒng)(7) 組成；力矩電機(5)的轉子與旋轉軸(4)固連；光柵(3)安裝于旋轉軸G)，并隨旋轉軸(4) 的旋轉而旋轉；陀螺儀安裝于陀螺安裝平臺(6)上，陀螺安裝平臺(6)位于旋轉軸(4)頂部且與旋轉軸⑷固連，并隨旋轉軸⑷的旋轉而旋轉；電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5) 旋轉，陀螺信號采集系統(tǒng)(8)用于實時采樣陀螺儀的輸出值，光柵轉角信號采樣系統(tǒng)(9)用于實時采集光柵(3)的轉角輸出信息；第二步，建立陀螺儀與加速度相關誤差的輸出模型；第三步，將兩個陀螺儀按照要求安裝于旋轉機構的陀螺安裝平臺(6)上，其安裝要求為兩陀螺敏感軸和旋轉機構的旋轉軸兩兩互相垂直，且旋轉軸與水平面保持平行；第四步，將旋轉機構安放于水平臺面上，根據(jù)第三步所述的陀螺儀的安裝方式，可以得到陀螺敏感軸坐標系上的輸入加速度計與旋轉角之間的關系式，并將該關系式代入第二步所建立的陀螺儀的誤差模型，可得到陀螺與加速度相關誤差相對于旋轉角的輸出模型；第五步，電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5)旋轉，陀螺儀信號采集系統(tǒng)⑶實時采集兩個陀螺儀的輸出信息，光柵轉角信號采集系統(tǒng)⑶)實時采集光柵(3)的轉角輸出信息；第六步，根據(jù)第四步得到陀螺與加速度相關漂移相對于旋轉角的輸出模型，將第五步實時采樣得到的光柵(3)的轉角輸出信息作為參數(shù)估計模型的輸入，將扣除地球自轉加速度后的陀螺儀的輸出值作為參數(shù)估計模型的輸出，利用最小二乘法可估計得到陀螺與加速度相關漂移模型中的部分誤差項系數(shù)；第七步，將兩個陀螺儀繞各自的敏感軸在第三步所述的安裝平面內(nèi)旋轉90°，重復步驟第五步和第六步，即可得到陀螺與加速度相關漂移模型中剩余誤差項系數(shù)；第八步，根據(jù)第六步及第七步估計得到的陀螺與加速度相關漂移模型的參數(shù)，對陀螺儀進行誤差補償，并檢驗誤差的補償精度。上述第五步中旋轉機構按以下的運動規(guī)律旋轉旋轉角速率為ω，并在0-360° 范圍內(nèi)正反整周旋轉，即以旋轉角速率ω從0°運動到360°，然后再以-ω的旋轉角速率從360°運動到0°，這樣既確保系統(tǒng)有完整的頻率分量輸入，使得誤差估計準確，同時也可以避免使用導電滑環(huán)，降低了成本低，提高了可靠性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)傳統(tǒng)的陀螺與加速度相關漂移的標定往往采用靜態(tài)多位置測量方法，需要通過多組實驗，且標定精度較低，本發(fā)明所設計的陀螺與加速度相關漂移標定方法僅需要通過2組實驗便可標定出所有的誤差系數(shù)，大大簡化了誤差系數(shù)的標定過程，同時也提高了誤差系數(shù)的估計精度，且標定過程不需要借助其他昂貴的輔助設備。該標定方法同時還適用于加速度計刻度系數(shù)的標定，具有一定的通用性。(2)本發(fā)明的旋轉機構具有小型、低成本的優(yōu)點，本發(fā)明通過旋轉機構的旋轉使得陀螺儀敏感一個變化的重力加速度，從而激發(fā)陀螺儀的與加速度相關漂移，且只需進行2 組實驗并結合相應的估計算法便可估計陀螺與加速度相關漂移模型的全部誤差系數(shù)，經(jīng)誤差補償后可大大提高器件的性能。本發(fā)明方法具準確、高效、易操作、設備簡單、低成本等特
點ο(3)本發(fā)明的旋轉機構按照一定的旋轉規(guī)律，即旋轉角速率ω在0-360°范圍內(nèi)正反整周旋轉，這樣既確保系統(tǒng)有完整的頻率分量輸入，使得誤差估計準確，同時也可以避免使用導電滑環(huán)，進一步降低了成本低，提高了可靠性。


圖1為本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖；圖2為本發(fā)明中的旋轉機構結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中陀螺測量系與旋轉機構殼體系之間的坐標關系圖；圖4為本發(fā)明實施例中陀螺與加速度相關漂移誤差系數(shù)實時估計曲線；圖5為本發(fā)明實施例中未補償與加速度相關漂移時旋轉機構殼體系上的等效陀螺漂移曲線；圖6為本發(fā)明實施例中補償與加速度相關漂移后旋轉機構殼體系上的等效陀螺漂移曲線；
具體實施例方式下面以瑞士 Analog DeVice公司的ADIS16130型MEMS陀螺的標定過程為例來闡述本發(fā)明的具體實施過程。圖1為本發(fā)明所指的陀螺與加速度相關漂移標定方法流程圖，其具體實現(xiàn)過程如下1、制備旋轉機構。圖2為用于加速度計標定的旋轉機構示意圖。旋轉機構由力矩電機5、旋轉軸4、光柵3、陀螺儀安裝平臺6、電機控制系統(tǒng)7、加速度計信號采集系統(tǒng)8、光柵轉角信號采集系統(tǒng)9組成，陀螺1和陀螺2安裝于平臺6上， 陀螺安裝平臺6、光柵3與旋轉軸4固連并隨旋轉軸4的旋轉而旋轉，旋轉軸4與力矩電機 5的轉子固連，電機控制系統(tǒng)7可以控制力矩電機5按照一定的規(guī)律旋轉，陀螺信號采集系統(tǒng)8可以實時采樣陀螺的輸出值，光柵轉角信號采集系統(tǒng)9可以實時采樣光柵的轉角輸出 fn息ο旋轉機構的力矩電機采用PWM控制，電機控制系統(tǒng)由DSP和功放電路組成，DSP通過計算后輸出一定占空比的PWM波，功放電路對PWM波進行功率放大后驅動電機旋轉，從而實現(xiàn)電機按照設計規(guī)律運動。光柵采用英國renishow公司的圓光柵，由光柵尺和讀數(shù)頭組成，當光柵尺隨電機軸旋轉時，讀數(shù)頭輸出正交脈沖，光柵轉角信號采集系統(tǒng)由DSP的QEP 模塊電路實現(xiàn)，該模塊電路對正交脈沖解碼，得到與轉角對應的脈沖數(shù)。陀螺信號采集系統(tǒng)由ADS1258芯片實現(xiàn)，該AD轉換芯片能實現(xiàn)對陀螺儀輸出模擬信號的高速采樣并轉換輸出與模擬信號對應的數(shù)字信號。2、坐標系定義如圖3所示，其中o-Xbyb、表示旋轉機構殼體坐標系，o-xfflyfflzffl表示陀螺敏感軸坐標系，又稱陀螺測量坐標系，如圖3所示。3、陀螺與加速度相關漂移模型表示為Δ ω g = ζ xax+ ζ yay+ ζ zaz (1)上式(1)中，ax, ay, az分別代表陀螺敏感軸坐標系在x，y，z三個方向的輸入加速度，ζ x為與χ方向加速度輸入相關的誤差系數(shù)，ζ y為與y方向加速度輸入相關的誤差系數(shù)，、為與z方向加速度輸入相關的誤差系數(shù)。4、根據(jù)步驟2所示的坐標系，將兩個陀螺儀(χ與z陀螺儀)安裝于旋轉機構上， 其中X陀螺敏感軸、Z陀螺敏感軸、旋轉機構旋轉軸兩兩互相垂直，且旋轉軸與水平面保持平行，如圖2所示。旋轉過程中，x、z陀螺測量坐標系與旋轉機構殼體坐標系之間的關系如圖3所示，其中o-Xbyb、表示旋轉機構殼體坐標系，O-XmyiA1表示陀螺測量坐標系，兩坐標系之間存在一個旋轉角θ。把旋轉機構放置在基本水平的臺面上，則有旋轉機構殼體坐標系
的輸入加速度為& = [abx,aby,aj =
'，abx, aby, abz分別代表旋轉機構殼體坐標系
的輸入加速度在X、1、z三方向的分量，結合圖3便可以得出在旋轉過程中陀螺敏感軸坐標系的輸入加速度表達式為
權利要求
1. 一種基于旋轉機構的陀螺儀與加速度相關誤差標定與補償方法，其特征在于步驟如下第一步，制作旋轉機構，所述的旋轉機構由力矩電機(5)、光柵(3)、旋轉軸0)、陀螺信號采集系統(tǒng)(8)、光柵測角信號采樣系統(tǒng)(9)、陀螺儀安裝平臺(6)和電機控制系統(tǒng)(7)組成；力矩電機(5)的轉子與旋轉軸固連；光柵(3)安裝于旋轉軸G)，并隨旋轉軸(4) 的旋轉而旋轉；陀螺儀安裝于陀螺安裝平臺(6)上，陀螺安裝平臺(6)位于旋轉軸(4)頂部且與旋轉軸⑷固連，并隨旋轉軸⑷的旋轉而旋轉；電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5) 旋轉，陀螺信號采集系統(tǒng)(8)用于實時采樣陀螺儀的輸出值，光柵轉角信號采樣系統(tǒng)(9)用于實時采集光柵(3)的轉角輸出信息；第二步，建立陀螺儀與加速度相關誤差的輸出模型；第三步，將兩個陀螺儀按照要求安裝于旋轉機構的陀螺安裝平臺(6)上，其安裝要求為兩陀螺敏感軸和旋轉機構的旋轉軸兩兩互相垂直，且旋轉軸與水平面保持平行；第四步，將旋轉機構安放于水平臺面上，根據(jù)第三步所述的陀螺儀的安裝方式，可以得到陀螺敏感軸坐標系上的輸入加速度計與旋轉角之間的關系式，并將該關系式代入第二步所建立的陀螺儀的誤差模型，可得到陀螺與加速度相關誤差相對于旋轉角的輸出模型；第五步，電機控制系統(tǒng)(7)控制力矩電機(5)旋轉，陀螺儀信號采集系統(tǒng)⑶實時采集兩個陀螺儀的輸出信息，光柵轉角信號采集系統(tǒng)(9)實時采集光柵(3)的轉角輸出信息；第六步，根據(jù)第四步得到陀螺與加速度相關漂移相對于旋轉角的輸出模型，將第五步實時采樣得到的光柵(3)的轉角輸出信息作為參數(shù)估計模型的輸入，將扣除地球自轉加速度后的陀螺儀的輸出值作為參數(shù)估計模型的輸出，利用最小二乘法可估計得到陀螺與加速度相關漂移模型中的部分誤差項系數(shù)；第七步，將兩個陀螺儀繞各自的敏感軸在第三步所述的安裝平面內(nèi)旋轉90°，重復步驟第五步和第六步，即可得到陀螺與加速度相關漂移模型中剩余誤差項系數(shù)；第八步，根據(jù)第六步及第七步估計得到的陀螺與加速度相關漂移模型的參數(shù)，對陀螺儀進行誤差補償，并檢驗誤差的補償精度。
全文摘要
一種基于旋轉機構的陀螺與加速度相關漂移的標定與補償方法，是指將陀螺和加速度計按照一定的要求安裝于旋轉機構上，通過旋轉機構的旋轉得到旋轉機構轉角和陀螺儀的動態(tài)連續(xù)輸出，建立陀螺與加速度相關漂移的估計模型，并利用最小二乘法估計得到陀螺儀與加速度相關誤差的模型參數(shù)。本發(fā)明利用旋轉機構估計出陀螺與加速度相關漂移的誤差系數(shù)，具有準確、高效、易操作、高通用性等特點。通過本方法估計出誤差系數(shù)并進行相應的誤差補償后，陀螺的輸出精度可大大提高。
文檔編號G01C25/00GK102252692SQ20111010890
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2011年4月29日
發(fā)明者薛宏斌, 遲家升 申請人:北京星網(wǎng)宇達科技開發(fā)有限公司