[發(fā)明專利]一種基于陀螺儀和激光測距的慣性器件離心測量方法

有效

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• 申請日: 2023-03-13
• 公開（公告）號: CN115931009B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 冉龍俊;張春熹;宋來亮;高爽;肖聽雨;黃婉瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京天匯航智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11987
• 代理人: 高永

本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性傳感器測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于陀螺儀和激光測距的慣性器件離心測量方法，包括在離心機(jī)上安裝待測慣性器件、陀螺儀和激光測距儀，在多個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行離心試驗(yàn)，利用激光測距儀采集的有效半徑數(shù)據(jù)、陀螺儀采集瞬時(shí)角速率數(shù)據(jù)、以及慣性器件的向心加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到慣性器件輸出的線性度，完成高階非線性誤差的標(biāo)定，本方法解決了離心機(jī)轉(zhuǎn)速均勻性的問題，能夠避免輸出轉(zhuǎn)速序列線性度存在的誤差，利用激光測距獲得的實(shí)時(shí)有效半徑變化能夠提高慣性器件所敏感向心加速度的精度，為后續(xù)高階非線性誤差系數(shù)標(biāo)定精度的提高提供了支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于慣性傳感器的測量測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于陀螺儀和激光測距的慣性器件離心測量方法。

背景技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，從而得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。其中加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心之一，用于敏感比力，從而獲得速度、位置的變化量。撓性加速度計(jì)是目前國內(nèi)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的一種加速度計(jì)，它的基本工作原理是，撓性擺片敏感外界加速度產(chǎn)生微小角位移，通過差動(dòng)電容檢測此時(shí)的電容變化量，經(jīng)放大輸入至電磁力矩器線圈中，產(chǎn)生反饋力矩使擺片回到平衡位置，對此時(shí)的線圈電流進(jìn)行檢測得到與輸入加速度成比例的輸出信號。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣性器件的精度校正具有重要的意義。如US2873426A公開了一種加速度計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括在高速下測試校準(zhǔn)待測加速度計(jì)的振動(dòng)器，在振動(dòng)器構(gòu)件的端部上安裝被測加速度計(jì)，以及電連接到振動(dòng)器構(gòu)件的測試以及電源裝置，通過以上振動(dòng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的校準(zhǔn)。US9459277B2公開了一種校準(zhǔn)3軸加速計(jì)的系統(tǒng)和方法，包括加速度傳感器和速度傳感器，使用速度傳感器來接收速度信息，使用速度信息沿至少一條所測部件的加速度信息，使用加速度傳感器接收加速度信息，并且使用所述加速度信息、加速度傳感器加速度樣本和平均垂直向量采樣來將所測部件中的至少之一校準(zhǔn)到加速度傳感器軸。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，加速度計(jì)的輸出并不是線性的，除零偏與一次項(xiàng)構(gòu)成的線性部分外，還包括高階非線性項(xiàng)、交叉耦合項(xiàng)等誤差項(xiàng)。這些誤差的系數(shù)量級很小，一般在10^-6量級，重力場下的測試難以將其與加速度計(jì)線性部分或是輸出噪聲進(jìn)行區(qū)分，目前缺乏對這部分誤差進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定的測試裝置或方法。且高階非線性誤差會隨著輸入加速度增大而指數(shù)增加，對高精度應(yīng)用而言這是一項(xiàng)巨大的誤差。

精密離心機(jī)是一種通過高速旋轉(zhuǎn)提供高精度向心加速度的設(shè)備，主要用于慣性器件的高動(dòng)態(tài)測試。通過精密離心機(jī)提供高輸入加速度能對非線性誤差進(jìn)行分離，對于提高應(yīng)用的精度具有重要意義。從精密離心測試的基本原理來看，角速度與有效半徑是影響向心加速度精度的重要因素，若待測物體為一只撓性加速度計(jì)，則作用于其上的輸入加速度矢量還應(yīng)包括重力加速度矢量，此時(shí)在加速度計(jì)輸入軸方向的分量即為加速度計(jì)實(shí)際所敏感的加速度。

考慮精密離心機(jī)存在角速度與有效半徑誤差，其中角速度存在周期性變化，為離心機(jī)自身工作時(shí)引入；有效半徑誤差則有不同來源，其中常見的是因載荷與臺面自重引起的臺面傾斜或彎曲，以及離心機(jī)工作中動(dòng)態(tài)離心載荷引起的拉伸。離心機(jī)自身提供的角速率基準(zhǔn)是通過平均角速率得到的，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的瞬時(shí)角速率，同時(shí)在一個(gè)完整的離心測試序列中，其線性度也無法得到保證；有效半徑誤差則會引入與輸入加速度大小有關(guān)的奇異二次項(xiàng)，這將影響加速度計(jì)非線性誤差的標(biāo)定精度。

因而，在撓性加速度計(jì)的精密離心測試中，角速度誤差與有效半徑誤差都將影響離心機(jī)實(shí)際輸出的向心加速度大小，在以離心機(jī)為基準(zhǔn)的條件下將引起待測加速度計(jì)的測量誤差，最終導(dǎo)致非線性誤差系數(shù)的標(biāo)定結(jié)果難以達(dá)到理想精度。

發(fā)明內(nèi)容