[发明专利]一种基于旋转机构的光纤陀螺八位置标定方法

摘要

本发明提供的是一种基于旋转机构的光纤陀螺八位置标定方法。将光纤陀螺组件紧固于转位机构的台面，并对转位机构进行台面调平和侧面调平，保证陀螺仪坐标系与转位机构坐标系重合；通过GPS确定载体的初始位置参数，并装订至导航计算机中；捷联惯导系统进行预热准备，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据并对数据进行处理；利用加速度计敏感的重力加速度分量确定出载体水平姿态角；建立光纤陀螺仪简略误差模型；利用双轴转位机构设计八位置转位方案；采用Matlab软件对计算机采集的陀螺组件在各个位置上的输出数据进行处理，得到陀螺组件的各项误差参数。本发明利用转位机构提供的八位置标定方法可以准确的计算出光纤陀螺仪的各个误差系数，在载体姿态未知条件下完成对光纤陀螺仪的短时间、高精度标定工作。

主权项

1.一种基于旋转机构的光纤陀螺八位置标定方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将光纤陀螺组件紧固于双轴转位机构的台面，并对转位机构进行台面调平和侧面调平，保证陀螺仪坐标系与转位机构坐标系重合，实验开始前调整转位机构使其平行于当地水平面；(2)利用全球定位系统GPS确定载体的初始位置参数，将它们装订至导航计算机中；(3)捷联惯导系统进行预热准备，采集光纤陀螺仪和石英加速度计输出的数据并对数据进行处理；(4)建立光纤陀螺仪简略误差模型；光纤陀螺与机械陀螺不同，通过光的传输来敏感角速度的变化，不需要任何转动部件，是一种真正的全固态陀螺，其性能从理论上不受加速度的影响。因此，光纤陀螺的主要误差源包括标度因数误差、安装误差和零位误差，其误差模型为：NgxNgyNgz=kxkxykxzkyxkykyzkzxkzykzωxωyωz+DxDyDz]]>其中，ω_i(i＝x，y，z)分别为陀螺仪三个敏感轴的输入角速率，N_gi(i＝x，y，z)为光纤陀螺组件的输出，k_i(i＝x，y，z)为陀螺的标度因数，k_ij(i，j＝x，y，z且i≠j)为陀螺的安装误差，D_i(i＝x，y，z)分别为光纤陀螺仪的零位。(5)利用加速度计敏感的重力加速度分量确定出载体水平姿态角；当载体相对导航坐标系存在固定姿态角时，可建立载体坐标系与导航坐标系转换矩阵捷联矩阵中元素C_ij(i，j＝1，2，3)可表示为：C11=cosγcosψ-sinγsinθsinψC12=-cosθsinψC13=sinγcosψ+cosγsinθsinψC21=cosγsinψ+sinγsinθcosψC22=cosθcosψC23=sinγsinψ-cosγsinθcosψC31=-sinγcosθC32=sinθC33=cosγcosθ]]>其中，γ、θ、ψ分别为载体的三个姿态角。通过利用加速度计敏感的重力加速度分量可确定载体水平姿态角γ、θ，如下式。γ=sin-1(gx/g)θ=sin-1(gy/g)]]>其中，g_x、g_y分别为水平方向上x、y陀螺仪敏感的重力加速度分量。结合式转换矩阵描述的载体姿态角与的函数关系可确定出转换矩阵中的元素C₃₁、C₃₂、C₃₃。(6)利用转位机构设计八位置转位方案；根据三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型，设计八位置标定方案标定高精度光纤陀螺，按照本发明所设计的标定方案编定转位机构的转位程序，在工控机上设定转位机构控制程序，调用工控机转位机构程序实现对转位机构按如下具体转位方案进行控制：初始时刻IMU坐标系与载体坐标系重合，即IMU处于位置1，然后绕z_b轴分别正向转位90°依次得到位置2、位置3、位置4；将位置1绕y_b轴正向转位180°得到位置5；在位置5的基础上绕z_b轴分别正向转位90°依次得到位置6、位置7、位置8(附图3)。(7)利用Matlab软件对计算机采集的陀螺组件在各个位置上的输出数据进行处理，得到陀螺组件的各项误差参数；根据光纤陀螺误差模型及IMU相对载体固定的八个位置处陀螺仪输入输出，得到光纤陀螺仪在八个位置下的表达式：位置1：Ngx1Ngy1Ngz1=KgxKgxz-Kgxy-KgyzKgyKgyxKgzy-KgzxKgzω+DxDyDz]]>位置2：Ngx2Ngy2Ngz2=-KgxzKgx-Kgxy-Kgy-KgyzKgyxKgzxKgzyKgzω+DxDyDz]]>位置3：Ngx2Ngy2Ngz2=-KgxzKgx-Kgxy-Kgy-KgyzKgyxKgzxKgzyKgzω+DxDyDz]]>位置4：Ngx4Ngy4Ngz4=Kgxz-Kgx-KgxyKgyKgyzKgyx-Kgzx-KgzyKgzω+DxDyDz]]>位置5：Ngx5Ngy5Ngz5=-KgxKgxzKgxyKgyzKgy-Kgyx-Kgzy-Kgzx-Kgzω+DxDyDz]]>位置6：Ngx6Ngy6Ngz6=-Kgxz-KgxKgxy-KgyKgyz-KgyxKgzx-Kgzy-Kgzω+DxDyDz]]>位置7：Ngx7Ngy7Ngz7=Kgx-KgxzKgxy-Kgyz-Kgy-KgyxKgzyKgzx-Kgzω+DxDyDz]]>位置8：Ngx8Ngy8Ngz8=KgxzKgxKgxyKgy-Kgyz-Kgyx-KgzxKgzy-Kgzω+DxDyDz]]>其中，(N_gxi N_gyi N_gzi)^T(i＝1…8)表示光纤陀螺仪输出。地球自转角速度ω_ie北向分量ω_N＝ω_iecosL和天向分量ω_U＝ω_iesinL为定值，L表示当地纬度。ω=C12ωN+C13ωUC22ωN+C23ωUC32ωN+C33ωU]]>将位置1的输出与位置3的输出相加得到部分陀螺误差表达式：δNgx13=Ngx1+Ngx3=-2Kgxy(C32ωN+C33ωU)+2DxδNgy13=Ngy1+Ngy3=2Kgyx(C32ωN+C33ωU)+2DyδNgz13=Ngz1+Ngz3=2Kgz(C32ωN+C33ωU)+2Dz]]>同理可得位置5的输出与位置7的输出相加得到部分陀螺误差表达式：δNgx57=Ngx5+Ngx7=2Kgxy(C32ωN+C33ωU)+2DxδNgy57=Ngy5+Ngy7=-2Kgyx(C32ωN+C33ωU)+2DyδNgz57=Ngz5+Ngz7=-2Kgz(C32ωN+C33ωU)+2Dz]]>位置2的输出与位置6的输出相加得到部分陀螺误差表达式：δNgx26=Ngx2+Ngx6=-2Kgxz(C12ωN+C13ωU)+2DxδNgy26=Ngy2+Ngy6=-2Kgy(C12ωN+C13ωU)+2DyδNgz26=Ngz2+Ngz6=2Kgzx(C12ωN+C13ωU)+2Dz]]>位置4的输出与位置8的输出相加得到部分陀螺误差表达式：δNgx48=Ngx4+Ngx8=2Kgxz(C12ωN+C13ωU)+2DxδNgy48=Ngy4+Ngy8=2Kgy(C12ωN+C13ωU)+2DyδNgz48=Ngz4+Ngz8=-2Kgzx(C12ωN+C13ωU)+2Dz]]>将位置1的输出与位置3的输出相加后的结果减去位置5的输出与位置7的输出相加后的结果：δNgx13+δNgx57=4DxδNgy13+δNgy57=4DyδNgz13+δNgz57=4Dz]]>δNgx13-δNgx57=-4Kgxy(C32ωN+C33ωU)δNgy13-δNgy57=4Kgyx(C32ωN+C33ωU)δNgz13-δNgz57=4Kgz(C32ωN+C33ωU)]]>由于C₃₂ω_N+C₃₃ω_U为固定值，通过解算上述方程可以确定出陀螺仪中的误差参数：K_gxy、K_gyx、K_gz、D_x、D_y、D_z。同理分别将位置2的输出与位置6的输出相加后的结果减去位置4的输出与位置8的输出相加后的结果：δNgx26-δNgx48=-4Kgxz(C12ωN+C13ωU)δNgy26-δNgy48=-4Kgy(C12ωN+C13ωU)δNgz26-δNgz48=4Kgzx(C12ωN+C13ωU)]]>将上式与位置1和位置2处水平陀螺仪的输出方程建立方程组：δNgx26-δNgx48=-4Kgxz(C12ωN+C13ωU)δNgy26-δNgy48=-4Kgy(C12ωN+C13ωU)δNgz26-δNgz48=4Kgzx(C12ωN+C13ωU)Ngx1=Kgx(C12ωN+C13ωU)+Kgxz(C22ωN+C23ωU)-Kgxy(C32ωN+C33ωU)+DxNgy1=-Kgyz(C12ωN+C13ωU)+Kgy(C22ωN+C23ωU)+Kgyx(C32ωN+C33ωU)+DxNgx2=-Kgxz(C12ωN+C13ωU)+Kgx(C22ωN+C23ωU)-Kgxy(C32ωN+C33ωU)+DxNgy2=-Kgy(C12ωN+C13ωU)-Kgyz(C22ωN+C23ωU)+Kgyx(C32ωN+C33ωU)+Dx]]>当载体相对导航坐标系存在固定角位置时，C₃₂ω_N+C₃₃ω_U为固定值。但矩阵中含有未知航向角ψ，因此在八位置标定过程中引入了新的未知参数ψ。由于陀螺仪模型中的部分误差参数K_gxy、K_gyx、K_gz、D_x、D_y、D_z已确定，且陀螺仪输出为已知量，载体姿态矩阵的元素C₁₂、C₁₃、C₂₂、C₂₃中均包含未知量ψ。因此，构建的7个方程中含有六个未知量，通过连立求解可确定陀螺仪模型中的误差参数：K_gx、K_gy、K_gxz、K_gzx、K_gyz、ψ。此时陀螺仪误差模型中的12个参数已经计算出11个，确定载体的三个姿态角后，可根据惯性测量单元所处第一位置时的方位陀螺仪输出方程求解误差量K_gzy：N_gz1＝K_gzy(C₁₂ω_N+C₁₃ω_U)-K_gzx(C₂₂ω_N+C₂₃ω_U)+K_gz(C₃₂ω_N+C₃₃ω_U)+D_z至此，利用惯性测量单元的八位置转停方案实现对陀螺误差模型中12个参数的标定工作。