[发明专利]六维加速度传感器标定平台及标定方法

说明书

技术领域

本发明属于多维加速度传感器领域或者捷联式惯性导航领域，涉及一种六维加速度传感器标定平台及其标定方法，更具体地说，涉及到六维加速度传感器在空间三个正交方向上线加速度以及角加速度的标定技术。

背景技术

传感器的标定是指在明确待测信号输入与输出变换关系的前提下，通过实验利用某种标准器具对传感器的量值进行标定，进而对新研制或生产的传感器进行全面的技术鉴定。航空航天、机器人、生物医疗等领域迫切需要提供运动载体加速度的全面信息以实现精确、稳定的动力学控制，六维加速度传感器即在这样的环境下诞生了。目前国内外对六维加速度传感器的研究还处于探索阶段，各项性能还远远低于应用需求，其中一个重要的原因就是缺乏满足标定要求的六维加速度传感器标定平台。六维加速度传感器的标定方法有绝对法和相对法两种：绝对法是用高精度的设备（如激光跟踪仪等）测量待测载体的位移，进而通过两次数值微分计算加速度，该方法存在动态测量性能差、数值累积误差大、信噪比小、实现困难且成本大等缺点；相对法是将全部性能参数均已知的标准加速度传感器与待标定六维加速度传感器背靠背地安装在六维加速度传感器的标定平台上，通过激励标定平台并由测量得到的输出关系辨识待标定传感器的结构参数，估计并补偿输出误差，得到传感器的各项技术性能。由于目前单轴加速度计以及陀螺仪的测量精度较高，可将其用作为标准加速度传感器，固接在标准加速度传感器与标定平台之间的倾角斜块的倾角为已知量，也即容易获取标定平台加速度的六个分量，因此六维加速度传感器的相对法标定成为首选。满足相对法标定要求的六维加速度传感器标定平台必须具备如下特点：（1）结构简单、传动件个数及类型少、装拆方便，确保标定过程中的误差源少；（2）电机台数少，且标定过程中每台电机仅做单向匀速转动；（3）平台机构传动平稳，无跳跃现象，可长时间稳定运行；（4）标准传感器和待标定传感器安装位置处感应到的六维加速度完全相同，且为简单的正余弦函数；（5）电机控制方便，仅通过调节电机转速即可实现不同幅值和频率的加速度输出；（6）能够输出多种方式的运动。

申请号为201010236968.6的发明专利公布了一种六维加速度传感器标定平台，回转平台的往复圆周运动为传感器提供六维加速度场，通过改变位姿平台在回转平台上的位置来改变加速度幅值。通过分析，该发明存在如下3点不足：（1）标定角加速度时，电机需要做恒角加速度转动，由于发热量较大，电机受损较严重；（2）由于对应安装位置的不同，利用该平台不能实现线加速度和角加速度的同步标定，也即缺少完整的标定信息；（3）位姿变换平台上仅能放置一个传感器，对比信息完全来自回转平台的输入，无其它参考输出量，故标定精度较低。文献《一种压电式六维加速度传感器的校准方法研究》提出一种标定方法，即首先将六维加速度传感器固定在线激振设备上，通过分析各加速度计的输出幅值解算其输出误差和安装姿态误差；接着将传感器固定在角激振设备上，通过分析各加速度计的输出幅值解算其安装位置误差。通过分析，该方法存在如下2点不足：（1）线加速度标定和角加速度标定分别在不同的标定设备上进行，对应的静态输出漂移量不同，故标定效果不够理想；（2）由于标定平台无法输出空间六维运动，仅能对各单轴线加速度计进行标定，故无法标定单元之间的尺度系数以及耦合关系。综述所述，六维加速度传感器在相对法标定过程中普遍存在三个难点问题：（1）标准传感器与待标定传感器在标定平台上的安装坐标系无法保持重合，从而导致两者感应到的六维加速度（尤其是线加速度）不一致；（2）标定过程中通常需要单频率或多频率标准正余弦函数加速度的激励，驱动电机会由于频繁的往复变速转动而遭到严重破损；（3）线加速度以及角加速度需要分别激励，无法实现六维加速度传感器的同步标定。从目前报道出的六维加速度传感器的标定平台或标定方法来看，还没有能够同时解决以上三个问题的有效设计思路或方案。有学者试图利用已有的六维力传感器标定平台来标定六维加速度传感器，但仅仅能够实现静态标定，而无法实现六维加速度传感器的动态标定。因此，迫切需要提出一种合理的可供使用的六维加速度传感器标定平台来实现六维加速度传感器的全面标定，以推动六维加速度传感器的实用化和仪器化进程。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种工作稳定、标定信息全面、标定精度高的六维加速度传感器标定平台以及利用该平台实现六维加速度传感器的标定方法。