[发明专利]一种基于旋转机构的加速度计误差标定与补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度计误差标定与补偿方法，可应用于陀螺仪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。

技术背景

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；(2)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(2)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加速度计误差标定与补偿方法，该方法能准确标定出加速度计的零偏、比例系数、比例系数的非线性误差系数、交叉耦合误差系数等，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加速度计误差标定与补偿方法，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、光栅、旋转轴、加速度计信号采集系统、光栅测角信号采集系统、加速度计安装平台和电机控制系统组成；力矩电机的转子与旋转轴固连；光栅安装于旋转轴上，并随旋转轴的旋转而旋转；加速度计安装于加速度计安装平台上，加速度计安装平台位于旋转轴顶部且与旋转轴固连，并随旋转轴的旋转而旋转；电机控制系统控制力矩电机旋转，加速度计信号采集系统用于实时采样加速度计的输出信号，光栅转角信号采集系统用于实时采集光栅的转角输出信号；

第二步，建立加速度计的通用输出模型，其中输出误差包括零偏、比例系数误差、比例系数非线性误差和交叉耦合误差；

第三步，将两个加速度计按照要求安装于旋转机构的加速度计安装平台上，其安装要求为：两加速度计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，根据第三步所述的加速度计的安装方式，得到加速度计输入与旋转角之间的关系式，并将该关系式代入加速度计的通用输出模型，可得到加速度计相对于旋转角的输出模型；

第五步，电机控制系统控制力矩电机旋转，加速度计信号采集系统实时采集两个加速度计的输出信息，光栅转角信号采集系统实时采集光栅的转角输出信息；

第六步，根据第四步得到的加速度计相对于旋转角的输出模型，将第五步实时采集的光栅转角信息作为参数估计模型的输入，两个加速度计的采样值作为参数估计模型的输出，利用最小二乘法估计得到加速度计输出模型中的部分误差项系数；

第七步，将两个加速度计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，即可得到加速度计输出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加速度计输出模型的误差项系数，对加速度计进行误差补偿，并检验模型的补偿精度。

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)传统的加速度计误差标定需要通过多组实验，同时也需要借助离心机、位置台等设备，本发明所设计的加速度计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，通过将加速度计输出与输入加速度之间的关系转换为与旋转角之间的关系，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陀螺仪误差系数的标定，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，因此本发明，因此采用这种旋转机构，通过机构的旋转激发惯性器件的各项误差，只需进行2组实验并结合相应的估计算法便可估计器件的完整的误差系数，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。