专利名称：一种基于旋转机构的陀螺与加速度相关漂移的标定与补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种陀螺误差标定与补偿方法，可应用于加速度计等其他惯性器件的误差标定与补偿，属于惯性器件测试、惯性导航领域。
背景技术：
惯性导航系统具有全自主、高隐蔽性、高带宽、连续输出等特点，在国防上具有战略意义，是航空、航天、航海等领域中最重要的设备之一。惯性器件(陀螺和加速度计)的性能是影响惯导系统精度的最为主要的因素，惯导系统误差的80%由器件误差引起，因此，提高惯性器件的精度是惯性技术发展过程中最为主要的研究内容。提高惯性器件的精度往往有两条途径(1)通过改变惯性器件的工作原理或改进器件的加工工艺来提高器件的性能；( 通过先进的测试手段对器件进行误差建模与标定，通过误差补偿的方法来提高器件性能。一般情况下，途径(1)所述的改进惯性器件的加工工艺往往需要付出较大的代价，器件的成本也将大大提高。途径( 所述的先进的测试方法往往需要先进的测试设备为基础，一般情况下，惯性器件的测试设备往往比较昂贵，而且测试过程繁琐，需要投入大量的实验时间。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种基于小型旋转机构的陀螺与加速度相关误差标定与补偿方法，该方法能快速、准确地标定出陀螺与加速度相关漂移的模型参数，具有准确、高效、易操作、高通用性等优点。本发明的技术解决方案是一种基于旋转机构的陀螺与加速度相关漂移的标定与补偿方法，其实现步骤如下第一步，制作旋转机构，所述的旋转机构由力矩电机(5)、光栅(3)、旋转轴、陀螺信号采集系统(8)、光栅测角信号采样系统(9)、陀螺仪安装平台(6)和电机控制系统(7) 组成；力矩电机(5)的转子与旋转轴(4)固连；光栅(3)安装于旋转轴G)，并随旋转轴(4) 的旋转而旋转；陀螺仪安装于陀螺安装平台(6)上，陀螺安装平台(6)位于旋转轴(4)顶部且与旋转轴⑷固连，并随旋转轴⑷的旋转而旋转；电机控制系统(7)控制力矩电机(5) 旋转，陀螺信号采集系统(8)用于实时采样陀螺仪的输出值，光栅转角信号采样系统(9)用于实时采集光栅(3)的转角输出信息；第二步，建立陀螺仪与加速度相关误差的输出模型；第三步，将两个陀螺仪按照要求安装于旋转机构的陀螺安装平台(6)上，其安装要求为两陀螺敏感轴和旋转机构的旋转轴两两互相垂直，且旋转轴与水平面保持平行；第四步，将旋转机构安放于水平台面上，根据第三步所述的陀螺仪的安装方式，可以得到陀螺敏感轴坐标系上的输入加速度计与旋转角之间的关系式，并将该关系式代入第二步所建立的陀螺仪的误差模型，可得到陀螺与加速度相关误差相对于旋转角的输出模型；第五步，电机控制系统(7)控制力矩电机(5)旋转，陀螺仪信号采集系统⑶实时采集两个陀螺仪的输出信息，光栅转角信号采集系统⑶)实时采集光栅(3)的转角输出信息；第六步，根据第四步得到陀螺与加速度相关漂移相对于旋转角的输出模型，将第五步实时采样得到的光栅(3)的转角输出信息作为参数估计模型的输入，将扣除地球自转加速度后的陀螺仪的输出值作为参数估计模型的输出，利用最小二乘法可估计得到陀螺与加速度相关漂移模型中的部分误差项系数；第七步，将两个陀螺仪绕各自的敏感轴在第三步所述的安装平面内旋转90°，重复步骤第五步和第六步，即可得到陀螺与加速度相关漂移模型中剩余误差项系数；第八步，根据第六步及第七步估计得到的陀螺与加速度相关漂移模型的参数，对陀螺仪进行误差补偿，并检验误差的补偿精度。上述第五步中旋转机构按以下的运动规律旋转旋转角速率为ω，并在0-360° 范围内正反整周旋转，即以旋转角速率ω从0°运动到360°，然后再以-ω的旋转角速率从360°运动到0°，这样既确保系统有完整的频率分量输入，使得误差估计准确，同时也可以避免使用导电滑环，降低了成本低，提高了可靠性。本发明与现有技术相比的优点在于(1)传统的陀螺与加速度相关漂移的标定往往采用静态多位置测量方法，需要通过多组实验，且标定精度较低，本发明所设计的陀螺与加速度相关漂移标定方法仅需要通过2组实验便可标定出所有的误差系数，大大简化了误差系数的标定过程，同时也提高了误差系数的估计精度，且标定过程不需要借助其他昂贵的辅助设备。该标定方法同时还适用于加速度计刻度系数的标定，具有一定的通用性。(2)本发明的旋转机构具有小型、低成本的优点，本发明通过旋转机构的旋转使得陀螺仪敏感一个变化的重力加速度，从而激发陀螺仪的与加速度相关漂移，且只需进行2 组实验并结合相应的估计算法便可估计陀螺与加速度相关漂移模型的全部误差系数，经误差补偿后可大大提高器件的性能。本发明方法具准确、高效、易操作、设备简单、低成本等特
点ο(3)本发明的旋转机构按照一定的旋转规律，即旋转角速率ω在0-360°范围内正反整周旋转，这样既确保系统有完整的频率分量输入，使得误差估计准确，同时也可以避免使用导电滑环，进一步降低了成本低，提高了可靠性。
图1为本发明方法的实现流程图；图2为本发明中的旋转机构结构示意图；图3为本发明实施例中陀螺测量系与旋转机构壳体系之间的坐标关系图；图4为本发明实施例中陀螺与加速度相关漂移误差系数实时估计曲线；图5为本发明实施例中未补偿与加速度相关漂移时旋转机构壳体系上的等效陀螺漂移曲线；图6为本发明实施例中补偿与加速度相关漂移后旋转机构壳体系上的等效陀螺漂移曲线；
具体实施例方式下面以瑞士 Analog DeVice公司的ADIS16130型MEMS陀螺的标定过程为例来阐述本发明的具体实施过程。图1为本发明所指的陀螺与加速度相关漂移标定方法流程图，其具体实现过程如下1、制备旋转机构。图2为用于加速度计标定的旋转机构示意图。旋转机构由力矩电机5、旋转轴4、光栅3、陀螺仪安装平台6、电机控制系统7、加速度计信号采集系统8、光栅转角信号采集系统9组成，陀螺1和陀螺2安装于平台6上， 陀螺安装平台6、光栅3与旋转轴4固连并随旋转轴4的旋转而旋转，旋转轴4与力矩电机 5的转子固连，电机控制系统7可以控制力矩电机5按照一定的规律旋转，陀螺信号采集系统8可以实时采样陀螺的输出值，光栅转角信号采集系统9可以实时采样光栅的转角输出 fn息ο旋转机构的力矩电机采用PWM控制，电机控制系统由DSP和功放电路组成，DSP通过计算后输出一定占空比的PWM波，功放电路对PWM波进行功率放大后驱动电机旋转，从而实现电机按照设计规律运动。光栅采用英国renishow公司的圆光栅，由光栅尺和读数头组成，当光栅尺随电机轴旋转时，读数头输出正交脉冲，光栅转角信号采集系统由DSP的QEP 模块电路实现，该模块电路对正交脉冲解码，得到与转角对应的脉冲数。陀螺信号采集系统由ADS1258芯片实现，该AD转换芯片能实现对陀螺仪输出模拟信号的高速采样并转换输出与模拟信号对应的数字信号。2、坐标系定义如图3所示，其中o-Xbyb、表示旋转机构壳体坐标系，o-xfflyfflzffl表示陀螺敏感轴坐标系，又称陀螺测量坐标系，如图3所示。3、陀螺与加速度相关漂移模型表示为Δ ω g = ζ xax+ ζ yay+ ζ zaz (1)上式(1)中，ax, ay, az分别代表陀螺敏感轴坐标系在x，y，z三个方向的输入加速度，ζ x为与χ方向加速度输入相关的误差系数，ζ y为与y方向加速度输入相关的误差系数，、为与z方向加速度输入相关的误差系数。4、根据步骤2所示的坐标系，将两个陀螺仪(χ与z陀螺仪)安装于旋转机构上， 其中X陀螺敏感轴、Z陀螺敏感轴、旋转机构旋转轴两两互相垂直，且旋转轴与水平面保持平行，如图2所示。旋转过程中，x、z陀螺测量坐标系与旋转机构壳体坐标系之间的关系如图3所示，其中o-Xbyb、表示旋转机构壳体坐标系，O-XmyiA1表示陀螺测量坐标系，两坐标系之间存在一个旋转角θ。把旋转机构放置在基本水平的台面上，则有旋转机构壳体坐标系
的输入加速度为& = [abx,aby,aj =
'，abx, aby, abz分别代表旋转机构壳体坐标系
的输入加速度在X、1、z三方向的分量，结合图3便可以得出在旋转过程中陀螺敏感轴坐标系的输入加速度表达式为
权利要求
1. 一种基于旋转机构的陀螺仪与加速度相关误差标定与补偿方法，其特征在于步骤如下第一步，制作旋转机构，所述的旋转机构由力矩电机(5)、光栅(3)、旋转轴0)、陀螺信号采集系统(8)、光栅测角信号采样系统(9)、陀螺仪安装平台(6)和电机控制系统(7)组成；力矩电机(5)的转子与旋转轴固连；光栅(3)安装于旋转轴G)，并随旋转轴(4) 的旋转而旋转；陀螺仪安装于陀螺安装平台(6)上，陀螺安装平台(6)位于旋转轴(4)顶部且与旋转轴⑷固连，并随旋转轴⑷的旋转而旋转；电机控制系统(7)控制力矩电机(5) 旋转，陀螺信号采集系统(8)用于实时采样陀螺仪的输出值，光栅转角信号采样系统(9)用于实时采集光栅(3)的转角输出信息；第二步，建立陀螺仪与加速度相关误差的输出模型；第三步，将两个陀螺仪按照要求安装于旋转机构的陀螺安装平台(6)上，其安装要求为两陀螺敏感轴和旋转机构的旋转轴两两互相垂直，且旋转轴与水平面保持平行；第四步，将旋转机构安放于水平台面上，根据第三步所述的陀螺仪的安装方式，可以得到陀螺敏感轴坐标系上的输入加速度计与旋转角之间的关系式，并将该关系式代入第二步所建立的陀螺仪的误差模型，可得到陀螺与加速度相关误差相对于旋转角的输出模型；第五步，电机控制系统(7)控制力矩电机(5)旋转，陀螺仪信号采集系统⑶实时采集两个陀螺仪的输出信息，光栅转角信号采集系统(9)实时采集光栅(3)的转角输出信息；第六步，根据第四步得到陀螺与加速度相关漂移相对于旋转角的输出模型，将第五步实时采样得到的光栅(3)的转角输出信息作为参数估计模型的输入，将扣除地球自转加速度后的陀螺仪的输出值作为参数估计模型的输出，利用最小二乘法可估计得到陀螺与加速度相关漂移模型中的部分误差项系数；第七步，将两个陀螺仪绕各自的敏感轴在第三步所述的安装平面内旋转90°，重复步骤第五步和第六步，即可得到陀螺与加速度相关漂移模型中剩余误差项系数；第八步，根据第六步及第七步估计得到的陀螺与加速度相关漂移模型的参数，对陀螺仪进行误差补偿，并检验误差的补偿精度。
全文摘要
一种基于旋转机构的陀螺与加速度相关漂移的标定与补偿方法，是指将陀螺和加速度计按照一定的要求安装于旋转机构上，通过旋转机构的旋转得到旋转机构转角和陀螺仪的动态连续输出，建立陀螺与加速度相关漂移的估计模型，并利用最小二乘法估计得到陀螺仪与加速度相关误差的模型参数。本发明利用旋转机构估计出陀螺与加速度相关漂移的误差系数，具有准确、高效、易操作、高通用性等特点。通过本方法估计出误差系数并进行相应的误差补偿后，陀螺的输出精度可大大提高。
文档编号G01C25/00GK102252692SQ20111010890
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者薛宏斌, 迟家升 申请人:北京星网宇达科技开发有限公司