[發(fā)明專利]一種基于磁電編碼器的雙軸陀螺儀標(biāo)定與解耦方法有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 202011190652.8 | 申請(qǐng)日： | 2020-10-30 |
| 公開（公告）號(hào)： | CN112378419B | 公開（公告）日： | 2022-10-18 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 王磊;韋欣;肖磊 | 申請(qǐng)（專利權(quán)）人： | 哈爾濱理工大學(xué) |
| 主分類號(hào)： | G01C25/00 | 分類號(hào)： | G01C25/00 |
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| 地址： | 150080 黑龍*** | 國(guó)省代碼： | 黑龍江;23 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 基于 磁電 編碼器 陀螺儀 標(biāo)定 方法 | ||
1.一種基于磁電編碼器的雙軸陀螺儀標(biāo)定與解耦方法，其特征在于：本方法應(yīng)用于一種基于磁電編碼器的雙軸陀螺儀，基于磁電編碼器的雙軸陀螺儀由外殼(1)、外框(2)、內(nèi)框(3)、外框電機(jī)(4)、雙軸陀螺儀(5)、內(nèi)框電機(jī)(6)、磁電編碼器a(7)、磁電編碼器b(8)、鋼柱(9)九部分組成，所述的外框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(4-2)通過外殼(1)的軸承a(1-5)與外框(2)焊接，內(nèi)框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(6-2)通過外框(2)的軸承b(2-2)與內(nèi)框(3)焊接，外框電機(jī)主體(4-1)與外殼(1)的平面載物臺(tái)a(1-4)焊接、內(nèi)框電機(jī)主體(6-1)與外框(2)的平面載物臺(tái)b(2-4)焊接，磁電編碼器a(7)的磁鋼與鋼柱a(9-1)膠接，磁電編碼器b(8)的磁鋼與鋼柱b(9-2)膠接，磁電編碼器a(7)的霍爾板a(7-1)與外殼(1)的圓柱載物臺(tái)a(1-2)膠接，磁電編碼器b(8)的霍爾板b(8-1)與外殼(1)的圓柱載物臺(tái)b(1-3)膠接，陀螺儀安裝板a(5-1)、陀螺儀安裝板b(5-2)與內(nèi)框(3)膠接；所述的外殼(1)包括：外殼主體(1-1)、圓柱載物臺(tái)a(1-2)、圓柱載物臺(tái)b(1-3)、平面載物臺(tái)a(1-4)、軸承a(1-5)，其中圓柱載物臺(tái)a(1-2)、圓柱載物臺(tái)b(1-3)與外殼主體(1-1)焊接，軸承a(1-5)與外殼主體(1-1)膠接，平面載物臺(tái)a(1-4)與外殼主體(1-1)焊接；所述的外框(2)包括：外框主體(2-1)、軸承b(2-2)、軸承c(2-3)、平面載物臺(tái)b(2-4)，其中軸承b(2-2)、軸承c(2-3)與外框主體(2-1)膠接，平面載物臺(tái)b(2-4)與外框主體(2-1)焊接；所述的外框電機(jī)(4)包括：外框電機(jī)主體(4-1)、外框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(4-2)，其中外框電機(jī)主體(4-1)與外框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(4-2)軸承連接；所述的雙軸陀螺儀(5)包括：陀螺儀安裝板a(5-1)、陀螺儀安裝板b(5-2)、陀螺儀芯片a(5-3)、陀螺儀芯片b(5-4)，其中陀螺儀芯片a(5-3)與陀螺儀安裝板a(5-1)焊錫焊接，陀螺儀芯片b(5-4)與陀螺儀安裝板b(5-2)焊錫焊接，陀螺儀安裝板a(5-1)與陀螺儀安裝板b(5-2)膠接；所述的內(nèi)框電機(jī)(6)包括：內(nèi)框電機(jī)主體(6-1)、內(nèi)框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(6-2)，其中內(nèi)框電機(jī)主體(6-1)與內(nèi)框電機(jī)轉(zhuǎn)軸(6-2)軸承連接；所述的磁電編碼器a(7)包括：霍爾解算板a(7-1)、霍爾元件a(7-2)、霍爾元件b(7-3)、內(nèi)部存儲(chǔ)器a(7-4)，磁鋼a(7-5)，其中霍爾元件a(7-2)、霍爾元件b(7-3)與霍爾解算板a(7-1)焊錫焊接，內(nèi)部存儲(chǔ)器a(7-4)與霍爾解算板a(7-1)焊錫焊接；所述的磁電編碼器a(8)包括：霍爾解算板b(8-1)、霍爾元件c(8-2)、霍爾元件d(8-3)、內(nèi)部存儲(chǔ)器b(8-4)，磁鋼b(8-5)，其中霍爾元件c(8-2)、霍爾元件d(8-3)與霍爾解算板b(8-1)焊錫焊接，內(nèi)部存儲(chǔ)器b(8-4)與霍爾解算板b(8-1)焊錫焊接；
所述方法的具體實(shí)施過程為：
步驟一、垂直方向雙軸陀螺儀偏差角的標(biāo)定與解耦：
在標(biāo)定垂直方向的陀螺儀芯片b時(shí)，將水平方向的陀螺儀芯片a的測(cè)量角速度方向看作是理想的，用水平軸OX表示，大小為ωX，將OY軸表示為與水平軸OX垂直的垂直軸，實(shí)際工作中垂直方向的陀螺儀芯片b的測(cè)量角速度方向沿著OM方向，水平方向陀螺儀芯片測(cè)量的角速度方向和垂直方向陀螺儀芯片測(cè)量的角速度方向的空間合成的角速度方向沿著ON方向，水平方向的外框電機(jī)a轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，垂直方向的磁電編碼器b會(huì)測(cè)得一個(gè)與垂直方向上陀螺儀芯片b大小相等的角度值，其方向沿著OY方向，將其積分如公式(1)所示：
進(jìn)而得到垂直方向磁電編碼器b測(cè)得的角度值，而垂直方向上的陀螺儀的角速度的大小如式(2)所示：
ωY＝ωOM(i)cosθ1 (2)
采樣當(dāng)前一個(gè)周期內(nèi)的垂直方向上陀螺儀的AD值的大小A(i)，用增益系數(shù)G來表示垂直方向上陀螺儀的AD值與當(dāng)前垂直方向上陀螺儀實(shí)際角速度之間關(guān)系，如式(3)所示：
A(i)＝ωY(i)G (3)
根據(jù)式(2)和式(3)，并對(duì)其積分后的關(guān)系，如式(4)所示：
將式(1)代入上式(4)可以計(jì)算出積分后的垂直方向上的陀螺儀芯片b的在當(dāng)前采樣周期內(nèi)值與垂直方向上磁電編碼器的測(cè)量角度值之間的關(guān)系，如式(5)所示：
當(dāng)垂直方向的內(nèi)框電機(jī)b轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，垂直方向的磁電編碼器會(huì)測(cè)得一個(gè)與垂直方向上陀螺儀芯片b大小相等的角度值，其方向沿著OY方向，重復(fù)上述水平方向的外框電機(jī)a轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的計(jì)算步驟，可以計(jì)算出積分后的垂直方向上的陀螺儀芯片b在當(dāng)前采樣周期內(nèi)的AD值大小A'(i)與垂直方向上磁電編碼器b的測(cè)量角度值θ'之間的關(guān)系，如式(6)所示：
聯(lián)立式(5)和式(6)即可求得垂直方向陀螺儀的增益系數(shù)G與垂直方向上磁電編碼器角速度方向與垂直方向陀螺儀芯片角速度方向的夾角θ1；
由空間慣性坐標(biāo)系的未知關(guān)系，陀螺儀的真實(shí)角速度ω是確定的并且沿著ON方向，其在水平軸OX上的解耦關(guān)系式，如式(7)所示：
ωX＝ωcosθ2 (7)
其在軸OM上的解耦關(guān)系式，如式(8)所示：
ωOM＝ωcos(90°-θ1-θ2) (8)
進(jìn)一步可以投影得到沿著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：
ωOX＝ωX-ωOMsinθ1 (9)
ωOY＝ωOXtanθ1 (10)
合成角速度在與水平軸OX垂直的慣性理想空間坐標(biāo)系OY軸方向的角速度的解耦關(guān)系式，如式(11)所示：
ωY＝ωOMcosθ1-ωOXtanθ1 (11)
根據(jù)式(9)和式(11)可以化簡(jiǎn)得到合成角速度在OY軸方向的角速度的解耦關(guān)系式，如式(12)所示：
ωY＝ωOMcosθ1-ωXtanθ1+ωOMsinθ1tanθ1 (12)
進(jìn)一步，將得出的垂直方向上磁電編碼器b角速度方向與垂直方向陀螺儀芯片b角速度方向的夾角θ1代入到式(12)即可計(jì)算出解耦后的慣性空間坐標(biāo)系垂直軸上的角速度分量ωY；
根據(jù)上述步驟對(duì)垂直方向的陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定及解耦計(jì)算，獲得垂直方向的安裝偏角θ1＝0.0279rad，增益系數(shù)G＝167.1653；
步驟二、水平方向雙軸陀螺儀偏差角的標(biāo)定與解耦：
在標(biāo)定水平方向的陀螺儀芯片a時(shí)，將垂直方向的陀螺儀芯片b的測(cè)量角速度方向看作是理想的，用垂直軸O1Y1表示，大小為ωY1，將O1X1軸表示為與垂直軸O1Y1垂直的水平軸，實(shí)際工作中水平方向的陀螺儀芯片a的測(cè)量角速度方向沿著OM1方向，水平方向陀螺儀芯片測(cè)量的角速度方向和垂直方向陀螺儀芯片測(cè)量的角速度方向的空間合成的角速度方向沿著ON1方向，垂直方向的內(nèi)框電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水平方向的磁電編碼器會(huì)測(cè)得一個(gè)與水平方向上陀螺儀芯片a大小相等的角度值，其方向沿著O1X1方向，將其積分如式(13)所示：
進(jìn)而得到水平方向磁電編碼器a測(cè)得的角度值，而水平方向上的陀螺儀的角速度的大小如式(14)所示：
采樣當(dāng)前一個(gè)周期內(nèi)的水平方向上陀螺儀的AD值的大小A1(i)，用增益系數(shù)G1來表示水平方向上陀螺儀的AD值與當(dāng)前水平方向上陀螺儀實(shí)際角速度之間關(guān)系，如式(15)所示：
根據(jù)式(14)和式(15)，并對(duì)其積分后的關(guān)系，如式(16)所示：
將式(13)代入上式(16)可以計(jì)算出積分后的水平方向上的陀螺儀芯片a的在當(dāng)前采樣周期內(nèi)值與水平方向上磁電編碼器的測(cè)量角度值之間的關(guān)系，如式(17)所示：
當(dāng)水平方向的內(nèi)框電機(jī)a轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水平方向的磁電編碼器a會(huì)測(cè)得一個(gè)與水平方向上陀螺儀芯片a大小相等的角度值，其方向沿O1X1方向，重復(fù)上述垂直方向的內(nèi)框電機(jī)b轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的計(jì)算步驟，可以計(jì)算出積分后的水平方向上的陀螺儀芯片a在當(dāng)前采樣周期內(nèi)的AD值大小A1'(i)與水平方向上磁電編碼器a的測(cè)量角度值θ1'之間的關(guān)系，如式(18)所示：
聯(lián)立式(11)和式(12)即可求得水平方向陀螺儀的增益系數(shù)G1與水平方向上磁電編碼器a角速度方向與垂直方向陀螺儀芯片a角速度方向的夾角δ2；
由空間慣性坐標(biāo)系的未知關(guān)系，陀螺儀的真實(shí)角速度ω1是確定的并且沿著ON1方向，其在垂直軸O1Y1上的解耦關(guān)系式，如式(19)所示：
ωY1＝ωcosδ1 (19)
其在OM1上的解耦關(guān)系式，如式(20)所示：
進(jìn)一步可以投影得到沿著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：
合成角速度在與垂直軸O1Y1垂直的慣性理想空間坐標(biāo)系O1X1軸方向的角速度的解耦關(guān)系式，如式(23)所示：
根據(jù)式(21)和式(23)可以化簡(jiǎn)得到合成角速度在O1X1軸方向的角速度的解耦關(guān)系式，如式(24)所示：
進(jìn)一步，將得出的水平方向上磁電編碼器a角速度方向與水平方向陀螺儀芯片a角速度方向的夾角δ2代入到式(24)即可計(jì)算出解耦后的慣性空間坐標(biāo)系水平軸上的角速度分量ωx1；
根據(jù)上述步驟對(duì)水平方向的陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定及解耦計(jì)算，獲得水平方向的安裝偏角δ2＝0.0173rad，增益系數(shù)G1＝153.64。
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