[发明专利]一种基于惯性测量单元的相对变形测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种相对变形测量方法。具体地说是一种基于惯性测量单元的相对变形测量方法。

背景技术

为了保证船载各种设备协调工作期间能够正常运行，需要提供具有一定精度的姿态信息、位置信息以及运动参数。这些参数可以由安装在船上的中心航姿系统测定并提供。如果船舶是绝对刚体，中心航姿系统和各用户部分都可建造一个物理的坐标基准。这样各用户设备就可统一使用中心航姿系统的各种参数并能保证一定的精度。

实际上，这些物理坐标基准以及设备的安装对准都有失调误差。特别是，船舶不是一个绝对刚体，在船舶自身载荷、温度变化和海浪作用等外部环境和应力的作用下，船体会发生几何形变。坐标基准出现失调角，导致直接使用中心航姿系统的参数时会引起误差。

由于惯性测量单元可以测量所在位置的角速率，通过将两个惯性测量单元(包括三轴陀螺和三轴加速度计)，安装在船体的不同部位，建立其与相对变形角之间的关系，可以通过输出角速率之间的关系来测得船体两个位置之间的相对变形角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用范围广，复杂度低，测量准确的基于惯性测量单元的相对变形测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一、完成惯性测量单元的安装和预热，预热时间不小于1小时，通过计算机实时同步采集光纤陀螺的三路数据和加速度计的三路数据；

步骤二、完成两套惯性测量单元的初始对准，分别获得两个位置的初始航向、纵摇、横摇信息，从而获得两位置之间的初始相对姿态误差；

步骤三、设子惯导坐标系为s系，主惯导坐标系为m系，子惯导坐标系相对主惯导坐标系的变形角分量为φ_x、φ_y、φ_z，并设是由形变引起的主惯导坐标系到子惯导坐标系的转换矩阵；

步骤四、分别确立主、子惯导坐标系相对惯性空间坐标系的陀螺输出角速度并给出角速率在各自坐标系下oxyz轴上的投影；

步骤五、将主惯导的陀螺输出转换到子惯导坐标系，得出陀螺输出差值和s系相对于m系的变形角速率的关系；

步骤六、建立形变角速率和陀螺输出差值的欧拉微分方程；

步骤七、根据龙格库塔法，对欧拉角微分方程和陀螺组件输出差值得出变形角速率精确离散化，得到n时刻的变形角φ_xn、φ_yn、φ_zn的递推式，结合形成迭代。

为了测量船体的不同位置之间的相对变形角，本发明通过坐标转换矩阵将其中一套惯性测量单元所测得的角速率投影到第二套惯性测量单元的坐标系中，并与第二套惯性测量单元输出的角速率作差，求得变形角速率，进而求得相对变形角。

本发明的光纤捷联惯性导航系统时变参数设计方法具有以下优点：

1、本发明和常用的卡尔曼滤波算法相比，该方法不用建立动态变形角的精确模型，因此使用条件放宽了；

2、本发明使用迭代法而不用卡尔曼滤波方法，使得算法复杂度降低，快速简洁；

3、和传统的迭代法相比，迭代过程中的转换矩阵不做小角度处理，使用四阶龙格库塔法解微分方程，使得结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为船舶安装及形变原理图。

图3为迭代法仿真结果曲线。

具体实施方式

本实施方式所述的本发明的光纤捷联惯性导航系统时变参数设计方法，具体步骤如下：

步骤一、完成惯性测量单元的预热，预热时间不小于1小时，通过计算机实时同步采集光纤陀螺的三路数据和加速度计的三路数据。

步骤二、完成两套惯性测量单元的初始对准，分别获得两个位置的初始航向、纵摇、横摇信息，从而获得两位置之间的初始相对姿态误差。即获得两个位置的初始航向、纵摇、横摇信息后，将两个位置的信息做差，得到初始相对姿态误差。

步骤三、设子惯导坐标系为s系，主惯导坐标系为m系，子惯导坐标系相对主惯导坐标系的变形角分量为φ_x、φ_y、φ_z(变形及安装原理图如图2所示)，并设是由形变引起的主惯导坐标系到子惯导坐标系的转换矩阵。

步骤四、在航行过程中，三套光纤航姿设备可以实时测出三个安装地点沿载体坐标系的三轴角速度信息，分别确立主、子惯导坐标系相对惯性空间坐标系的陀螺输出角速率并给出角速率在各自坐标系下oxyz轴上的投影。