本發(fā)明涉及一種慣性技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種角錐體慣性測量單元及三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的慣性測量單元(inertialmeasurementunit，imu)大多采用是立方體結(jié)構(gòu)，三個(gè)單軸的陀螺和三個(gè)單軸的加速度計(jì)安裝在立方體的六個(gè)面上，這種結(jié)構(gòu)空間利用率低，不利于實(shí)現(xiàn)輕小型化。另外，陀螺儀精度對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度起著決定性的作用，而刻度因子誤差是影響陀螺儀精度的重要因素。一般imu在出廠前會(huì)進(jìn)行一次標(biāo)定，但是隨著存放時(shí)間和應(yīng)用環(huán)境的改變，刻度因子會(huì)發(fā)生變化，因此在應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)前會(huì)進(jìn)行再次標(biāo)定。傳統(tǒng)的分立式標(biāo)校方法是利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)立方體結(jié)構(gòu)的慣性測量單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成imu三軸陀螺的標(biāo)定，這就使得標(biāo)定與應(yīng)用是分離的，不能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場標(biāo)定。而如果使用雙軸或三軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案對(duì)imu進(jìn)行自標(biāo)定，這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的可靠性，給高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大考驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種角錐體慣性測量單元及三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定方法，其能提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度，同時(shí)角錐體imu可以減小慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積，提高空間利用率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種角錐體慣性測量單元，其特征在于：所述角錐體慣性測量單元設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述角錐體慣性測量單元包括角錐體安裝工裝、單軸陀螺儀和單軸加速度計(jì)；所述角錐體為四面體結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)臺(tái)底部與現(xiàn)有電機(jī)轉(zhuǎn)子固定連接，由電機(jī)帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述角錐體安裝工裝底面固定設(shè)置在所述轉(zhuǎn)臺(tái)頂部，所述角錐體安裝工裝的每個(gè)側(cè)面上均設(shè)置有所述單軸陀螺儀和單軸加速度計(jì)，且所述單軸陀螺儀和單軸加速度計(jì)呈交錯(cuò)設(shè)置。

進(jìn)一步，每個(gè)所述單軸陀螺儀以及每個(gè)所述單軸加速度計(jì)的敏感軸與其所在所述角錐體安裝工裝的側(cè)面垂直向外。

進(jìn)一步，所述角錐體安裝工裝采用切掉四個(gè)尖角的角錐體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述角錐體安裝工裝的三個(gè)側(cè)面相互垂直；所述角錐體慣性測量單元的旋轉(zhuǎn)軸為z軸方向。

一種基于上述角錐體慣性測量單元的三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定方法，其特征在于：該方法通過單軸旋轉(zhuǎn)，由電機(jī)提供不同角速率的激勵(lì)，在不翻轉(zhuǎn)所述角錐體慣性測量單元的情況下，利用最小二乘算法對(duì)三軸陀螺進(jìn)行刻度因子自標(biāo)定。

進(jìn)一步，所述角錐體慣性測量單元的三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟：1)設(shè)角錐體安裝工裝的側(cè)棱與底面夾角為α，電機(jī)輸入角速率ω絕對(duì)值從小到大順序改變，每個(gè)角速率下分別記錄三個(gè)陀螺儀的輸出值，并求出該輸入角速率下每個(gè)陀螺儀輸出的平均值：

式中，ui表示輸入第i個(gè)角速率時(shí)陀螺儀輸出的平均值，uip表示第i個(gè)角速率時(shí)陀螺儀第p個(gè)輸出值；n為采樣次數(shù)；2)建立陀螺儀輸入輸出線性模型：u＝kx+b，式中，u表示陀螺儀輸出的平均值；k表示刻度因子；x為陀螺儀輸入量x＝ωsinα；b為擬合零偏；對(duì)每個(gè)陀螺儀都進(jìn)行最小二乘擬合，計(jì)算刻度因子k、擬合零偏b，即能在不翻轉(zhuǎn)imu的情況下計(jì)算出三個(gè)陀螺儀的刻度因子k和擬合零偏b，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定。

進(jìn)一步，所述刻度因子k、擬合零偏b為：

式中，q為采樣序數(shù)；xq為陀螺儀第q次輸入量；uq為陀螺儀在xq輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出平均值；n為輸入角速率的點(diǎn)數(shù)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明能夠在不增加慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)復(fù)雜度的情況下，不翻轉(zhuǎn)角錐體imu就能通過單軸旋轉(zhuǎn)對(duì)三軸陀螺進(jìn)行刻度因子自標(biāo)定，提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度。2、本發(fā)明采用的角錐體安裝工裝體積小，比現(xiàn)有的立方體結(jié)構(gòu)的安裝工裝更加節(jié)省空間，空間利用率高，有利于實(shí)現(xiàn)imu的輕小型化；角錐體安裝工裝的三個(gè)側(cè)面相互垂直，保持了各個(gè)慣性儀表之間的最簡單的解算關(guān)系。3、由于傳統(tǒng)的立方體結(jié)構(gòu)，單軸旋轉(zhuǎn)方案不能進(jìn)行三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定，而本發(fā)明采用的角錐體結(jié)構(gòu)的imu，可以在電機(jī)提供不同角速率激勵(lì)的情況下，對(duì)三軸陀螺同時(shí)進(jìn)行刻度因子自標(biāo)定。4、在刻度因子自標(biāo)定之后，采用單軸連續(xù)正反轉(zhuǎn)方案可以調(diào)制垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的慣性器件零偏分量，從而減小慣性器件零偏對(duì)導(dǎo)航精度的影響，提高捷聯(lián)慣導(dǎo)的工作精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的角錐體慣性測量單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的主視圖；

圖3是本發(fā)明的角錐體形狀幾何示意圖，僅用于三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定的方法說明，為角錐體工裝未切掉四個(gè)尖角時(shí)的形狀；

圖4是對(duì)陀螺進(jìn)行分析的簡化圖，其中，xyz坐標(biāo)系是載體坐標(biāo)系，gyro表示陀螺儀的敏感軸方向，z軸表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向，θ表示陀螺敏感軸與旋轉(zhuǎn)軸的夾角，是陀螺敏感軸在水平面的投影與x軸的夾角。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述?？梢岳斫獾氖潜景l(fā)明的實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他的情況下，為了不混淆對(duì)這些描述的理解，公知的電機(jī)、測角元件、處理電路等結(jié)構(gòu)沒有被具體示出。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種角錐體慣性測量單元，該角錐體慣性測量單元設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)1上，其包括角錐體安裝工裝2、單軸陀螺儀3和單軸加速度計(jì)4；其中，角錐體安裝工裝2為四面體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺(tái)1底部與現(xiàn)有電機(jī)轉(zhuǎn)子固定連接，由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)1轉(zhuǎn)動(dòng)；角錐體安裝工裝2底面固定設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)1頂部。角錐體安裝工裝2的每個(gè)側(cè)面上均設(shè)置有單軸陀螺儀3和單軸加速度計(jì)4，且單軸陀螺儀3和單軸加速度計(jì)4呈交錯(cuò)設(shè)置。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，每個(gè)單軸陀螺儀3以及每個(gè)單軸加速度計(jì)4的敏感軸與其所在角錐體安裝工裝2的側(cè)面垂直向外。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，角錐體安裝工裝2采用切掉四個(gè)尖角的角錐體結(jié)構(gòu)，這樣可以保障在安裝使用過程中的安全性，并不影響角錐體結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)。

上述實(shí)施例中，角錐體安裝工裝2的三個(gè)側(cè)面相互垂直；角錐體imu的旋轉(zhuǎn)軸為z軸方向，即轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸方向，如圖3所示。

本發(fā)明還提供一種角錐體慣性測量單元的三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定方法，通過單軸旋轉(zhuǎn)方案，結(jié)合角錐體結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，由電機(jī)提供不同角速率的激勵(lì)，可以在不翻轉(zhuǎn)角錐體imu(慣性測量單元)的情況下，利用最小二乘算法對(duì)三軸陀螺進(jìn)行刻度因子自標(biāo)定。由于系統(tǒng)中有電機(jī)，而且具有特殊的角錐體結(jié)構(gòu)，使得陀螺儀敏感軸與旋轉(zhuǎn)軸之間存在固定的夾角，因此可以利用電機(jī)輸出角速率對(duì)imu進(jìn)行自標(biāo)定。本發(fā)明的自標(biāo)定方法包括以下步驟：

1)如圖3所示，設(shè)角錐體安裝工裝2的側(cè)棱與底面夾角為α，電機(jī)輸入角速率ω絕對(duì)值從小到大順序改變，每個(gè)角速率下分別記錄三個(gè)陀螺儀3的輸出值，并求出該輸入角速率下每個(gè)陀螺儀輸出的平均值：

式中，ui表示輸入第i個(gè)角速率時(shí)陀螺儀輸出的平均值，i＝1,2,3,4,5…；uip表示第i個(gè)角速率時(shí)陀螺儀第p個(gè)輸出值；n為采樣次數(shù)。

2)建立陀螺儀輸入輸出線性模型：

u＝kx+b(2)

式中，u表示陀螺儀輸出的平均值；k表示刻度因子；x為陀螺儀輸入量,x＝ωsinα，根據(jù)幾何關(guān)系，可以求得b為擬合零偏。

對(duì)每個(gè)陀螺儀都進(jìn)行最小二乘擬合，計(jì)算k、b：

式中，q為采樣序數(shù)；xq為陀螺儀第q次輸入量；uq為陀螺儀在xq輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出平均值；n為輸入角速率的點(diǎn)數(shù)。

這樣即可在不翻轉(zhuǎn)角錐體imu的情況下，同時(shí)計(jì)算出三個(gè)陀螺儀的刻度因子k和擬合零偏b，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三軸陀螺刻度因子自標(biāo)定。

本發(fā)明在自標(biāo)定之后，采用單軸旋轉(zhuǎn)還可以調(diào)制垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的零偏分量。由于角錐體安裝工裝2呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中安裝的三個(gè)陀螺儀3也呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)其中任意一個(gè)陀螺儀3進(jìn)行分析，如圖4所示，可以得到陀螺儀敏感軸的方向向量

該陀螺儀3的零偏ε1在x上的等效分量為εx1、在y軸上的等效分量為εy1為：

式中，為陀螺敏感軸在水平面的投影與x軸的夾角。

從式(6)可以看出，對(duì)于陀螺儀在xoy平面的等效零偏，旋轉(zhuǎn)調(diào)制的引入，會(huì)產(chǎn)生周期性改變。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)對(duì)εx1和εy1進(jìn)行積分，結(jié)果為0，則表明該陀螺儀3的零偏在x,y軸上的等效分量可以被調(diào)制，同理可得另外兩個(gè)陀螺儀的零偏在x,y軸上的等效分量也能被調(diào)制。

上述實(shí)施例中，三軸加速度計(jì)在垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的零偏分量調(diào)制原理與陀螺儀一致，不再贅述。

綜上所述，上述介紹為單軸連續(xù)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行誤差消減的基本原理。對(duì)于實(shí)際的旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)，通過測角模塊實(shí)時(shí)測量得到角錐體的旋轉(zhuǎn)信息，對(duì)陀螺和加速度計(jì)的輸出信息進(jìn)行分解，扣除已知的電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息，即可得到對(duì)應(yīng)的載體坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)的角速度與加速度信息，即可利用一般的捷聯(lián)慣導(dǎo)解算程序進(jìn)行相應(yīng)的位置、速度、姿態(tài)信息的解算，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各個(gè)步驟都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別步驟進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。