[发明专利]一种基于磁电编码器的双轴陀螺仪标定与解耦方法

权利要求书

1.一种基于磁电编码器的双轴陀螺仪标定与解耦方法，其特征在于：本方法应用于一种基于磁电编码器的双轴陀螺仪，基于磁电编码器的双轴陀螺仪由外壳(1)、外框(2)、内框(3)、外框电机(4)、双轴陀螺仪(5)、内框电机(6)、磁电编码器a(7)、磁电编码器b(8)、钢柱(9)九部分组成，所述的外框电机转轴(4-2)通过外壳(1)的轴承a(1-5)与外框(2)焊接，内框电机转轴(6-2)通过外框(2)的轴承b(2-2)与内框(3)焊接，外框电机主体(4-1)与外壳(1)的平面载物台a(1-4)焊接、内框电机主体(6-1)与外框(2)的平面载物台b(2-4)焊接，磁电编码器a(7)的磁钢与钢柱a(9-1)胶接，磁电编码器b(8)的磁钢与钢柱b(9-2)胶接，磁电编码器a(7)的霍尔板a(7-1)与外壳(1)的圆柱载物台a(1-2)胶接，磁电编码器b(8)的霍尔板b(8-1)与外壳(1)的圆柱载物台b(1-3)胶接，陀螺仪安装板a(5-1)、陀螺仪安装板b(5-2)与内框(3)胶接；所述的外壳(1)包括：外壳主体(1-1)、圆柱载物台a(1-2)、圆柱载物台b(1-3)、平面载物台a(1-4)、轴承a(1-5)，其中圆柱载物台a(1-2)、圆柱载物台b(1-3)与外壳主体(1-1)焊接，轴承a(1-5)与外壳主体(1-1)胶接，平面载物台a(1-4)与外壳主体(1-1)焊接；所述的外框(2)包括：外框主体(2-1)、轴承b(2-2)、轴承c(2-3)、平面载物台b(2-4)，其中轴承b(2-2)、轴承c(2-3)与外框主体(2-1)胶接，平面载物台b(2-4)与外框主体(2-1)焊接；所述的外框电机(4)包括：外框电机主体(4-1)、外框电机转轴(4-2)，其中外框电机主体(4-1)与外框电机转轴(4-2)轴承连接；所述的双轴陀螺仪(5)包括：陀螺仪安装板a(5-1)、陀螺仪安装板b(5-2)、陀螺仪芯片a(5-3)、陀螺仪芯片b(5-4)，其中陀螺仪芯片a(5-3)与陀螺仪安装板a(5-1)焊锡焊接，陀螺仪芯片b(5-4)与陀螺仪安装板b(5-2)焊锡焊接，陀螺仪安装板a(5-1)与陀螺仪安装板b(5-2)胶接；所述的内框电机(6)包括：内框电机主体(6-1)、内框电机转轴(6-2)，其中内框电机主体(6-1)与内框电机转轴(6-2)轴承连接；所述的磁电编码器a(7)包括：霍尔解算板a(7-1)、霍尔元件a(7-2)、霍尔元件b(7-3)、内部存储器a(7-4)，磁钢a(7-5)，其中霍尔元件a(7-2)、霍尔元件b(7-3)与霍尔解算板a(7-1)焊锡焊接，内部存储器a(7-4)与霍尔解算板a(7-1)焊锡焊接；所述的磁电编码器a(8)包括：霍尔解算板b(8-1)、霍尔元件c(8-2)、霍尔元件d(8-3)、内部存储器b(8-4)，磁钢b(8-5)，其中霍尔元件c(8-2)、霍尔元件d(8-3)与霍尔解算板b(8-1)焊锡焊接，内部存储器b(8-4)与霍尔解算板b(8-1)焊锡焊接；

所述方法的具体实施过程为：

步骤一、垂直方向双轴陀螺仪偏差角的标定与解耦：

在标定垂直方向的陀螺仪芯片b时，将水平方向的陀螺仪芯片a的测量角速度方向看作是理想的，用水平轴OX表示，大小为ω_X，将OY轴表示为与水平轴OX垂直的垂直轴，实际工作中垂直方向的陀螺仪芯片b的测量角速度方向沿着OM方向，水平方向陀螺仪芯片测量的角速度方向和垂直方向陀螺仪芯片测量的角速度方向的空间合成的角速度方向沿着ON方向，水平方向的外框电机a转动时，垂直方向的磁电编码器b会测得一个与垂直方向上陀螺仪芯片b大小相等的角度值，其方向沿着OY方向，将其积分如公式(1)所示：

进而得到垂直方向磁电编码器b测得的角度值，而垂直方向上的陀螺仪的角速度的大小如式(2)所示：

ω_Y＝ω_OM(i)cosθ₁ (2)

采样当前一个周期内的垂直方向上陀螺仪的AD值的大小A(i)，用增益系数G来表示垂直方向上陀螺仪的AD值与当前垂直方向上陀螺仪实际角速度之间关系，如式(3)所示：

A(i)＝ω_Y(i)G (3)

根据式(2)和式(3)，并对其积分后的关系，如式(4)所示：

将式(1)代入上式(4)可以计算出积分后的垂直方向上的陀螺仪芯片b的在当前采样周期内值与垂直方向上磁电编码器的测量角度值之间的关系，如式(5)所示：

当垂直方向的内框电机b转动时，垂直方向的磁电编码器会测得一个与垂直方向上陀螺仪芯片b大小相等的角度值，其方向沿着OY方向，重复上述水平方向的外框电机a转动时的计算步骤，可以计算出积分后的垂直方向上的陀螺仪芯片b在当前采样周期内的AD值大小A'(i)与垂直方向上磁电编码器b的测量角度值θ'之间的关系，如式(6)所示：

联立式(5)和式(6)即可求得垂直方向陀螺仪的增益系数G与垂直方向上磁电编码器角速度方向与垂直方向陀螺仪芯片角速度方向的夹角θ₁；

由空间惯性坐标系的未知关系，陀螺仪的真实角速度ω是确定的并且沿着ON方向，其在水平轴OX上的解耦关系式，如式(7)所示：

ω_X＝ωcosθ₂ (7)

其在轴OM上的解耦关系式，如式(8)所示：

ω_OM＝ωcos(90°-θ₁-θ₂) (8)

进一步可以投影得到沿着OX方向的角速度分量，如式(9)所示和OY方向的角速度分量，如式(10)所示：

ω_OX＝ω_X-ω_OMsinθ₁ (9)

ω_OY＝ω_OXtanθ₁ (10)

合成角速度在与水平轴OX垂直的惯性理想空间坐标系OY轴方向的角速度的解耦关系式，如式(11)所示：

ω_Y＝ω_OMcosθ₁-ω_OXtanθ₁ (11)

根据式(9)和式(11)可以化简得到合成角速度在OY轴方向的角速度的解耦关系式，如式(12)所示：

ω_Y＝ω_OMcosθ₁-ω_Xtanθ₁+ω_OMsinθ₁tanθ₁ (12)

进一步，将得出的垂直方向上磁电编码器b角速度方向与垂直方向陀螺仪芯片b角速度方向的夹角θ₁代入到式(12)即可计算出解耦后的惯性空间坐标系垂直轴上的角速度分量ω_Y；

根据上述步骤对垂直方向的陀螺仪进行标定及解耦计算，获得垂直方向的安装偏角θ₁＝0.0279rad，增益系数G＝167.1653；

步骤二、水平方向双轴陀螺仪偏差角的标定与解耦：

在标定水平方向的陀螺仪芯片a时，将垂直方向的陀螺仪芯片b的测量角速度方向看作是理想的，用垂直轴O₁Y₁表示，大小为ω_Y1，将O₁X₁轴表示为与垂直轴O₁Y₁垂直的水平轴，实际工作中水平方向的陀螺仪芯片a的测量角速度方向沿着OM₁方向，水平方向陀螺仪芯片测量的角速度方向和垂直方向陀螺仪芯片测量的角速度方向的空间合成的角速度方向沿着ON₁方向，垂直方向的内框电机转动时，水平方向的磁电编码器会测得一个与水平方向上陀螺仪芯片a大小相等的角度值，其方向沿着O₁X₁方向，将其积分如式(13)所示：

进而得到水平方向磁电编码器a测得的角度值，而水平方向上的陀螺仪的角速度的大小如式(14)所示：

采样当前一个周期内的水平方向上陀螺仪的AD值的大小A₁(i)，用增益系数G₁来表示水平方向上陀螺仪的AD值与当前水平方向上陀螺仪实际角速度之间关系，如式(15)所示：

根据式(14)和式(15)，并对其积分后的关系，如式(16)所示：

将式(13)代入上式(16)可以计算出积分后的水平方向上的陀螺仪芯片a的在当前采样周期内值与水平方向上磁电编码器的测量角度值之间的关系，如式(17)所示：

当水平方向的内框电机a转动时，水平方向的磁电编码器a会测得一个与水平方向上陀螺仪芯片a大小相等的角度值，其方向沿O₁X₁方向，重复上述垂直方向的内框电机b转动时的计算步骤，可以计算出积分后的水平方向上的陀螺仪芯片a在当前采样周期内的AD值大小A₁'(i)与水平方向上磁电编码器a的测量角度值θ₁'之间的关系，如式(18)所示：

联立式(11)和式(12)即可求得水平方向陀螺仪的增益系数G₁与水平方向上磁电编码器a角速度方向与垂直方向陀螺仪芯片a角速度方向的夹角δ₂；

由空间惯性坐标系的未知关系，陀螺仪的真实角速度ω₁是确定的并且沿着ON₁方向，其在垂直轴O₁Y₁上的解耦关系式，如式(19)所示：

ω_Y1＝ωcosδ₁ (19)

其在OM₁上的解耦关系式，如式(20)所示：

进一步可以投影得到沿着O₁Y₁方向的角速度分量，如式(21)所示和O₁X₁方向的角速度分量，如式(22)所示：

合成角速度在与垂直轴O₁Y₁垂直的惯性理想空间坐标系O₁X₁轴方向的角速度的解耦关系式，如式(23)所示：

根据式(21)和式(23)可以化简得到合成角速度在O₁X₁轴方向的角速度的解耦关系式，如式(24)所示：

进一步，将得出的水平方向上磁电编码器a角速度方向与水平方向陀螺仪芯片a角速度方向的夹角δ₂代入到式(24)即可计算出解耦后的惯性空间坐标系水平轴上的角速度分量ω_x1；

根据上述步骤对水平方向的陀螺仪进行标定及解耦计算，获得水平方向的安装偏角δ₂＝0.0173rad，增益系数G₁＝153.64。