专利名称：使用离心机和转台对惯性测量单元进行误差标定的方法
技术领域：
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种惯性测量单元(IMU)的误差标定方法，可用于标定不同测量范围和测量精度的IMlL
背景技术：
惯性测量单元(IMU)是惯性导航系统的核心部件，它是利用陀螺与加速度计对载体角运动、线运动进行测量，并经过坐标变换和数学积分得到载体的姿态、速度与位置信息。惯性测量单元的各种误差由于积分作用随着时间的增长而被积累，因而惯性测量器件的误差参数标定成为惯性技术应用的关键前提之一，精确的误差标定方法和技术是提高惯性系统精度的重要基础。惯性测量单元误差包含确定性误差和随机误差两部分，其中确定性误差即系统误差约占总误差的90%左右，因此在使用前必须建立IMU确定性误差的数学模型，并通过试验的方法确定模型中的各项误差系数，这个过程称为IMU的标定。静态多位置试验方法和角速率试验方法是两种传统的标定方法。前者的基本原理是利用转台提供的方位基准和水平基准，将地球自转角速度和重力加速度g作为IMU的输入，并与系统的输出进行比较，然后通过转台转到多个不同位置，根据陀螺和加速度计的误差模型，当位置数与误差模型中的误差系数个数相等时，即可通过联立方程组求解各误差参数。角速率标定是利用转台给IMU输入一系列标称的角速度，并与系统的输出进行比较， 根据IMU的误差模型，即可确定出IMU角速度通道的标度因数和安装误差两类误差参数。速率标定试验的精度很高，但是只能标定出部分误差系数；多位置静态标定试验通常采用最小二乘法处理试验数据，可以标定出全部的误差系数，但是精度较低。因此，上述传统的两种标定方法都不能完成IMU的精确标定。
发明内容
本发明为了克服现有标定方法的不足，提供一种可提供多范围、多运动形式的信号激励，以实现对不同参数特性IMU标定的精确标定方法，即一种使用离心机和转台对惯性测量单元(英文缩写为IMU)进行误差标定的方法，该方法将离心机水平安装，将三轴转台安装到离心机上，将待标定的惯性测量单元安装到转台上，通过调整转台到不同的位置， 离心机在每个位置进行正反两次旋转，然后就可以标定出IMU的误差。在本发明中，以调整转台到六个不同的位置，离心机在每个位置进行正反两次共计十二次旋转为例进行说明，可标定出IMU的所有二十四个误差系数。上述方法中建立了离心机转台控制机理模型和IMU的整体误差模型，对系统24个误差系数进行了精确标定。本发明标定方法使用了离心机，离心机的转动可以产生向心加速度和切向加速度，其大小和离心机的旋转角速度和旋转半径有关。惯性测量单元IMU安装在三轴位置转台(简称转台)上，通过调整转台可以控制IMU到不同的位置，在不同的位置IMU三根坐标轴(0bXb、0byb、0bzb)上陀螺和加速度计的信号激励有所不同。转台安装在离心机上，通过改变转台的姿态、离心机的旋转角速度和旋转半径，可以输入给惯性测量单元IMU多运动形式、大信号范围的信号激励。本发明提出的误差标定方法的具体步骤如下1)、将离心机安装到当地水平面，然后将转台水平安装到离心机上，转台中心到离心机旋转中心的距离为r;2)、将IMU安装到转台上，并调整转台转到第一个位置。3)、建立离心机转台控制机理模型；4)、建立惯性测量单元(IMU)的整体误差模型；5)、启动IMU，待IMU稳定后，启动离心机逆时针转动，并达到预先设定的离心机旋转角速度ω，进入勻速旋转阶段；6)、记录IMU中三个陀螺和三个加速度计的输出数据，记录数据的时间长度为 2ηπ/ω,即记录了离心机旋转η整圈过程中IMU的输出数据；所述的三个陀螺和三个加速度计分别安装在IMU的三个坐标轴上。其中，η为正整数。7)、结束并保存IMU的输出数据后使离心机减速旋转到静止，此时完成了第一位置离心机的第一次旋转；8)、改变离心机的旋转方向为顺时针方向，转台的姿态不做调整，使离心机加速旋转到与逆时针转动时相同的角速度ω ；同样记录时间长度为2η π/ω的IMU的输出数据， 记录完成后使离心机减速到静止状态，至此完成第一位置的第二次旋转的数据采集；9)、分别依次调整转台，得到IMU的第二位置 第六位置，并每次调整后分别重复上述的标定步骤5)、6)、7)和8)标定过程。所述的IMU的第一位置为Zb轴垂直向上，Xb轴和yb轴位于水平面内，并且Xb轴指向离心机的旋转轴中心，所使用的obxbybzb坐标系遵循右手系法则；其余位置分别为-Zb、xb、-xb、yb、-yb轴垂直向上，保证每两个位置为对称位置。 在整个标定过程中转台一共调整了六个位置，离心机进行了正负共十二次旋转；根据每个位置上IMU的每个轴的输出数据与地球自转角速度和重力加速度在各个轴上投影分量之间的关系，在IMU的整体误差模型的基础上，采用对称位置及正负旋转误差相消法，计算得出IMU所有的各项误差系数。标定试验中，采用对称位置及正负旋转误差相消法确定各项误差系数，对称位置及正负旋转误差相消法利用两个对称位置上和正负旋转时IMU的误差部分相同，部分相反的原理，通过简单的加或减即能实现误差的分离，该方法简单易行，物理意义明确。普通离心机的旋转角速度最高可达36000度/秒，即每秒旋转100圈，远大于地球的自转角速度15度/小时，因此标定出的陀螺误差系数精度很高。标定试验中输入的离心加速度和离心机的旋转半径和旋转速度有关，旋转半径最大为2米的情况下，最大的向心加速度可达80000倍的重力加速度，远大于地球的重力加速度，因此标定出的加速度计的误差系数精度很高。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明使用了离心机和转台，转台用于对IMU进行位置调整，通过调整离心机的旋转半径和旋转角速度，可以提供多动态、大范围的激励信号；(2)本发明标定方法简单，数据利用率高，通过转台把IMU调整到六个位置，控制离心机在每个位置进行正负两次旋转共计十二次旋转即可标定出IMU系统中的24个误差系数； (3)由于标定试验中使用了离心机，所以输入的角速度可以实现远大于陀螺的各项误差和地球自转角速度，因此标定出的陀螺误差系数精度很高。标定试验中输入的加速度也可以远大于地球的重力加速度，因此标定出的加速度计的误差系数精度很高。
图1为本发明的离心机转台对惯性测量单元标定方法的流程图；图2为本发明的离心机转台安装及坐标定义说明示意图；图3为本发明的转台调整六个位置，离心机正负旋转十二次标定实验方法示意图。图中1-转台2-IMU
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提供的标定方法进行详细说明。本发明提供一种使用离心机和转台对惯性测量单元进行误差标定的方法，如图1、 图2和图3所示，下面以调整转台六个不同位置为例来说明本发明的误差标定方法，具体步骤如下1)将离心机安装到当地水平面，然后将三轴位置转台(简称转台)安装到离心机上，转台1中心到离心机旋转中心的距离为r。转台外框坐标系为s系0sxsyszs。2)将IMU2安装在转台1上，调整转台1的中框架和内框架到水平面内，外框架指向离心机旋转轨迹的切线方向，使IMU坐标系b系的Zb轴垂直向上，xb轴和yb轴位于水平面内，并且Xb轴指向离心机的旋转轴中心，所使用的obXbybzb坐标系遵循右手系法则，这样 IMU坐标系obXbybzb就与转台外框架所在坐标系osxsyszs完全重合，此为转台转动的第一位置，如图2所示。3)建立离心机转台控制机理模型，所述的离心机转台控制机理模型的输入包括离心机的旋转半径、离心机的旋转角速度、离心机所在地的地球纬度、离心机所在地的地球重力加速度和转台三轴转动的角度，所述的离心机转台控制机理模型的输出为IMU三个坐标轴上三个陀螺的响应和三个加速度计的响应；所述的IMU的三个坐标轴上，每个坐标轴上都分别安装一个陀螺和一个加速度计，用于测量相应坐标轴上IMU的角速度和加速度。记离心机旋转角度为α，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；转台外框坐标系为 s系osxsyszs ；IMU坐标系为b系obxbybzb ；地理坐标系为t系otxtytzt ；惯性坐标系为i系 OiXiYiZi ；地球坐标系为e系Oexeyezeo记地理坐标系(t系)到转台外框坐标系(S系)的转换矩阵C/为
0"
‘ (1)
Cst =
-sin α cos α 0 0 0 1记IMU陀螺输出角速度4 (b系相对于i系在b系下的投影)为
权利要求
1.一种使用离心机和转台对惯性测量单元进行误差标定的方法，其特征在于包括以下步骤1)将离心机安装到当地水平面，然后将小型三轴位置转台水平安装到离心机上，转台中心到离心机旋转中心的距离为r ；2)将IMU安装到转台上，调整转台使IMU位于第一位置；3)建立离心机转台控制机理模型；4)建立惯性测量单元的整体误差模型；5)启动IMU，待IMU稳定后，启动离心机逆时针转动，并达到预先设定的离心机旋转角速度ω，进入勻速转动阶段；6)记录MU中三个陀螺和三个加速度计的输出数据，记录数据的时间长度为2ηπ / ω， 即记录了离心机旋转η整圈过程中IMU的输出数据，其中η为正整数；7)结束保存输出数据后使离心机减速旋转到静止，然后改变离心机的旋转方向为顺时针方向，转台的姿态不做调整，使离心机加速旋转到与逆时针转动时相同的角速度ω，进入勻速转动阶段；8)同样记录时间长度为2ηπ/ω的IMU的输出数据，记录完成后使离心机减速到静止状态，至此完成第一位置的数据采集；9)控制转台分别使IMU位于第二位置，并且第二位置与第一位置为对称位置，同理，通过转台调整IMU到任意的两个对称位置，对于每一个位置，重复上述的标定步骤5)、6)、7) 和8)标定过程，实现对IMU任意位置的标定；根据每个位置上IMU的每个轴的输出数据与地球自转角速度和重力加速度在各个轴上投影分量之间的关系，在IMU整体误差模型的基础上，采用对称位置及正负旋转误差相消法，计算得出IMU所有的各项误差系数。
2.根据所述的离心机转台控制机理模型，输入包括离心机的旋转半径、离心机的旋转速度、离心机所在地的地球纬度、离心机所在地的地球重力加速度和转台姿态矩阵，输出为 IMU三个坐标轴上三个陀螺的输出响应和三个加速度计的输出响应。
3.根据权利要求1所述的使用离心机和转台对惯性测量单元进行误差标定的方法，其特征在于所述的惯性测量单元的整体误差模型包括角速度通道误差模型和加速度通道误差模型，角速度通道误差模型中包含陀螺的标度因数、陀螺的常值漂移和陀螺的安装误差； 加速度通道误差模型包含加速度计标度因数、加速度计常值偏置和加速度计的安装误差， IMU的整体误差模型共有24项误差系数。
4.根据权利要求1所述的使用离心机和转台对惯性测量单元进行误差标定的方法，其特征在于所述的IMU的第一位置为IMU的Zb轴垂直向上，遵循右手系法则，Xb轴和yb轴位于水平面内，并且xb轴指向离心机的旋转轴中心；所述的第二位置为IMU的-Zb垂直向上， 其余不变。
全文摘要
本发明公开一种使用离心机和转台对惯性测量单元(英文缩写为IMU)进行误差标定的方法，是为了解决不同型号的IMU测量量程及动态性能差异大，常规标定方法难以提供多动态性信号激励的问题。该方法将三轴转台安装在离心机上，通过调整转台的姿态以及离心机的旋转速度和旋转半径，对IMU提供多范围、多运动形式的信号激励，以实现对不同参数特性IMU的标定。本发明建立了完整的离心机转台控制机理模型，在陀螺和加计误差模型的基础上，利用转台依次调整IMU到不同的对称位置，控制离心机在每个位置进行正反两次旋转，即可标定出IMU的误差参数。该标定方法简单易操作，数据利用率高，激励信号设置灵活，可满足大测量范围、多动态性的IMU标定需求。
文档编号G01C25/00GK102221372SQ201110073328
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者吴发林, 张华强, 赵剡, 陈雨 申请人:北京航空航天大学