[发明专利]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

说明书

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。

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(4)、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(4)，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(4)固连，并随旋转轴(4)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(8)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。

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。