一种恒加速度和振动复合输入情况下的线加速度计校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种恒加速度和振动复合情况下的加速度计校准方法，属于加速度传 感器计量技术领域。
【背景技术】
[0002] 加速度计是惯性导航、惯性制导以及惯性测量技术中不可或缺的关键器件。在军 事领域及民用领域都有广泛用途。加速度计是一种利用敏感质量的惯性力或其他方式来测 量线加速度或者角加速度的装置，分别称为线加速度计和角加速度计。一个典型的线加速 度计具有三个轴，即输入轴（input axis，IA)，输出轴（output axis，OA)和摆轴（pendulous axis，PA)，这三个轴恰好构成一个直角坐标系。如图1所示。其中，该直角坐标系的原点是 加速度计的等效质量中心（effective centre of mass)。
[0003] 线加速度计的校准旨在解决线加速度计静态误差模型辨识的问题，提高实际工况 下线加速度计的使用精度。目前已有技术中的线加速度计校准是指建立稳态的标准输入加 速度与线加速度计输出之间的函数关系。该函数关系包含了线加速度计各种误差因素的影 响，所以也称为线加速度计的静态误差模型。线加速度计静态误差模型的一般形式是多项 式的形式，如公式（1)所示。
[0004] E = K〇+K1ai+K2ai2+K 3ai3+K4aia0+
[0005] Κρρρ+Κρρρ+Κρ^Κρρ+Κρρ2+ ε (I)
[0006] 其中，E为加速度计静态误差模型的输出；ap a。和a，别是输入加速度向量（用 符号a表示）分别在输入轴（IA)、输出轴（OA)和摆轴（PA)上的投影；Kn,是模型系数，n' =0, 1，2,…，9 ;其中，Ktl是零位偏置，K1是尺度因子，K JPK1是线性系数；K 2至K 9是非线性 系数；ε是测量噪声。
[0007] -般而言，线加速度计的校准有精密离心机法校准、振动台校准、重力场校准、双 离心机法校准、电流（或电压）激励校准等。现有的校准方法，都是在标准的试验环境下， 引入复现的标准加速度。标准加速度一般是单一的恒加速度，或者是振动，极少考虑到复合 加速度作为被校准传感器输入的情况。事实上，单一的加速度在实际工况条件下是不存在 的。任何线加速度计在工作环境中都同时受到多种加速度的复合作用。多种加速度的复合 作用会引起加速度输出特性的变化。这种变化在单一的加速度试验条件下是无法得到测试 的。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种恒加速度和振动复合输入情况下的 线加速度计校准方法，考虑了输入加速度是由恒加速度与振动组合而成的情况，实现对恒 加速度和振动复合输入的线加速度计校准。
[0009] -种恒加速度和振动复合输入情况下的线加速度计校准方法，包括以下几个步 骤：
[0010] 步骤一、获取恒加速度与振动复合的标准加速度；
[0011] 步骤二、获得线加速度计的整流误差模型；
[0012] 步骤三、确定线加速度计的整流误差模型中的参数，完成校准。
[0013] 本发明的优点在于：
[0014] 本发明为线加速度计的校准提供一种新的方法，能够实现对恒加速度和振动复合 输入的线加速度计校准，完善线加速度计性能的测试，提高线加速度计在实际使用当中的 精度。另外，本发明使用的是恒加速度和振动复合输入产生的加速度计整流误差特性，而不 是现有的基于振动加速度的加速度计整流误差特性，本专利扩展了整流误差的使用范围。
【附图说明】
[0015] 图1为现有技术中线加速度计的输入轴、输出轴和摆轴的典型结构示意图；
[0016] 图2为本发明【具体实施方式】中恒加速度和振动复合情况的线加速度计校准方法 操作流程示意图；
[0017] 图3为本发明【具体实施方式】中安装被测加速度计的4种形式示意图；
[0018] 其中：
[0019] 图3(a)为第一种安装形式示意图；
[0020] 图3 (b)为第二种安装形式示意图；
[0021] 图3 (c)为第三种安装形式示意图；
[0022] 图3(d)为第四种安装形式示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0024] 本发明是一种恒加速度和振动复合输入情况下的线加速度计校准方法，流程如图 2所示，包括以下几个步骤：
[0025] 步骤一、获取恒加速度与振动复合的标准加速度，其向量形式用公式（2)表示。
[0026] a = ac+av+g (2)
[0027] 其中，a是恒加速度与振动复合的标准加速度向量；a。是恒加速度向量，a v是振动 向量，g是重力加速度向量。
[0028] 标准加速度向量a在加速度计输入轴（IA)、输出轴（OA)和摆轴（PA)上的投影可 以表示为：
[0029]
【主权项】
1. 一种恒加速度和振动复合输入情况下的线加速度计校准方法，包括以下几个步骤： 步骤一、获取恒加速度与振动复合的标准加速度，其向量形式用公式（2)表示； a = ac+av+g (2) 其中，a是恒加速度与振动复合的标准加速度向量，a。是恒加速度向量，a v是振动向量， g是重力加速度向量； 标准加速度向量a在加速度计输入轴、输出轴和摆轴上的投影表示为：
其中，ap a。和ap分别是标准加速度向量a在输入轴、输出轴和摆轴方向的投影；相应 地，avi、av。和a vp分别是振动向量a v在输入轴、输出轴和摆轴方向的投影；a d、a。。和a ερ是 恒加速度向量a。在输入轴、输出轴和摆轴方向的投影；g i、&和g ρ是重力加速度向量g在输 入轴、输出轴和摆轴方向的投影；ω是振动的角速率；t表示振动对应的时刻，即：， 其中，T表不振动的周期；N表不振动周期内的振动的米样点数量；η表不米样点的序号， O ^ n ^ N ； 步骤二、获得线加速度计的整流误差模型； 具体操作步骤为： 步骤2. 1 :建立加速度计静态误差模型，如公式（4)所示； Y = Ko+Kiai+Kiia^+Ki^a^+K^aia^Kipaiap+ ε (4) 其中，Y是线加速度计的输出量，Ktl是零位偏置，Ki是标度因数，Kii是二阶非线性系数， Km是三阶非线性系数，Kip是输入轴和摆轴的交叉耦合系数；K i()是输入轴和输出轴的交叉 耦合系数；ε为包含其他随机误差项； 步骤2. 2 :将步骤一得到的标准加速度向量a在加速度计输入轴、输出轴和摆轴上的投 影％、&。和ap带入到公式（4)，通过对线加速度计的校准，得到零位偏置K ^和标度因数K满 值； 步骤2. 3:将整个测试的时间长度为3mT，T为振动的周期，m为正整数，且me [20, 50]; 在测试的时间长度3mT内，将公式（4)对应的加速度计的输出量进行算术平均，如公式（5) 所示：
其中，P表示测试的时间长度3mT内加速度计的输出量的算术平均值，J表示其他随机 误差项ε在测试时间长度3mT内的算术平均值； 步骤2. 4 :通过公式（6)得到只有恒加速度作用时，整个测试的时间长度3mT内线加速 度i+的输出量的筧太平询倌
其中，f表示其他随机误差项ε在测试时间长度3mT内的算术平均值； 步骤2. 5 :用公式（5)减公式（6)得到初步整流误差表达式，如公式（7)所示：
其中，△ (dc)是初步整流误差，AKtl是零位偏置在振动状态下与静止状态下的差值； 步骤2. 6 :经过数据拟合，对零位偏置在振动状态下与静止状态下的差值AKtl进行消 除，得到无零位偏置的整流误差民％，如公式（8)所示；
公式（8)即线加速度计的整流误差模型； 步骤三、确定线加速度计的整流误差模型中的参数； 在步骤二操作的基础上，确定线加速度计的整流误差模型中的4个参数Kii、Km、Kip和 Kio; 步骤3. 1 :设计试验方案，采用M种不同的形式安装被测加速度计进行试验，得到M组 实验数据；其中，M是大于3的整数； 步骤3. 2 :将M组数据分别带入到公式（8)，得到M个方程组成的方程组，通过对方程组 求解，得到整流误差模型中的参数Kii、Km、Kip和K &完成校准。
【专利摘要】本发明公开了一种恒加速度和振动复合输入情况下的线加速度计校准方法，包括以下几个步骤：步骤一、获取恒加速度与振动复合的标准加速度；步骤二、获得线加速度计的整流误差模型；步骤三、确定线加速度计的整流误差模型中的参数，完成校准。本发明为线加速度计的校准提供一种新的方法，能够实现对恒加速度和振动复合输入的线加速度计校准，完善线加速度计性能的测试，提高线加速度计在实际使用当中的精度。
【IPC分类】G01P21-00
【公开号】CN104655876
【申请号】CN201510046780
【发明人】孟晓风, 董雪明, 关伟
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月29日