CN111664868A

CN111664868A - 一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法

Info

Publication number: CN111664868A
Application number: CN202010469737.3A
Authority: CN
Inventors: 汤梦希; 魏垚; 向政; 冯文龙; 左明璐
Original assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-09-15

Abstract

一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，属于光纤陀螺及其惯性测量装置安装误差技术领域，特别涉及一种在单轴光纤陀螺惯性测量装置中的光纤陀螺安装误差标定和补偿的方法，可应用于惯性测量装置装配技术领域。本发明方法依靠安装误差导致的角速度在敏感轴上的投影测量出相对于各个轴向的安装误差角，再根据陀螺尺寸计算出需要补偿的高度，使用塞尺加工出满足补偿要求的垫片，实现减小安装误差提高陀螺测量精度的作用。

Description

一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法

技术领域

本发明涉及一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，特别涉及一种在单轴光纤陀螺惯性测量装置中的光纤陀螺安装误差标定和补偿的方法，属于光纤陀螺及其惯性测量装置安装误差技术领域。

背景技术

随着卫星控制技术的不断发展，对卫星姿态控制的要求也在不断提高。光纤陀螺惯性测量装置作为卫星姿态控制***的重要测量部件，其测量精度的高低直接影响卫星的姿态控制水平。

安装误差是影响光纤陀螺惯性测量装置的测量精度的重要因素，因此，为了提高惯性测量装置的测量精度，需要对安装误差进行补偿。传统的三轴组合安装误差标定是采用解算三个轴之间的误差方程，得到安装误差系数，通过数学方法进行补偿。而当惯性测量装置中的陀螺为单轴时，无法建立安装误差方程，更无法通过数学方法来标定和补偿，因此针对单轴陀螺组件提出了新的安装误差标定方法和补偿方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单轴陀螺安装误差标定及补偿方法，该方法依靠安装误差导致的角速度在敏感轴上的投影测量出相对于各个轴向的安装误差角，再根据陀螺尺寸计算出需要补偿的高度，使用塞尺加工出满足补偿要求的垫片，实现减小安装误差提高陀螺测量精度的作用。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，单轴陀螺安装在陀螺惯性测量装置上，包括如下步骤：

(1)将陀螺惯性测量装置的X轴朝天，陀螺敏感轴朝南，放置在速率转台上；

(2)速率转台分别按正反方向转动，转动输入相同的角速率，运行预设时间；角速率选取范围为10°/s～30°/s；预设时间选取范围为36s～108s；

(3)计算陀螺敏感轴相对于陀螺惯性测量装置X轴的安装误差；

(4)将陀螺惯性测量装置的Y轴朝天，陀螺敏感轴朝南，放置在速率转台上；

(5)重复步骤(2)；

(6)计算陀螺敏感轴相对于陀螺惯性测量装置Y轴的安装误差；

(7)根据步骤(3)和步骤(6)确定的安装误差，确定单轴陀螺与陀螺惯性测量装置之间所需的垫片厚度及所需的垫片位置；

(8)根据所需的垫片厚度，利用不同厚度的塞尺加工成不同厚度的垫片；

(9)根据单轴陀螺与陀螺惯性测量装置之间所需的垫片厚度及所需的垫片位置，将不同厚度的垫片安装在单轴陀螺与陀螺惯性测量装置之间，补偿陀螺惯性测量装置的安装误差；

(10)重复步骤(1)～(6)，计算补偿后的安装误差，直到满足预设指标要求。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，计算陀螺敏感轴相对于陀螺惯性测量装置X轴的安装误差的方法为：

式中，δθ_xz为X轴安装误差夹角，

为速率转台正方向转动时陀螺仪敏感轴的输出，

为速率转台反方向转动时陀螺仪敏感轴的输出，

为实际坐标系下确定X轴安装误差时速率转台的转动角速率，K为标度因数。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，计算陀螺敏感轴相对于陀螺惯性测量装置Y轴的安装误差的方法为：

式中，δθ_yz为Y轴安装误差夹角，

为速率转台正方向转动时陀螺仪敏感轴的输出，

为速率转台反方向转动时陀螺仪敏感轴的输出，

为实际坐标系下确定Y轴安装误差时速率转台的转动角速率，K为标度因数。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，确定单轴陀螺与陀螺惯性测量装置之间所需的垫片厚度的方法为：

H＝83.4×tanδθ

式中，H为所需的垫片厚度，δθ为安装误差角。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，每个垫片位置的垫片数量不超过3个。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，采用补偿方法后的陀螺敏感轴安装误差不超过0.5′。

上述单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，优选的，步骤(2)中，转动输入的角速率的确定方法为：

(21)在角速率选取范围内选取一个角速率值，然后根据角速率的选取值在预设时间选取范围内选取一个预设时间值，使陀螺敏感轴转动角度为360°的整数倍；

(22)初步测试得到陀螺敏感轴的测试输出值，如果测试输出值小于陀螺测量精度的10倍或者超过陀螺测量范围的80％，则返回(21)增大或减小角速率的选取值。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)进行安装误差测试时选择的角速率和转动时间时，通过选择足够大的角速率以及转动整圈，降低了测量精度和地速分量的影响，既保证了测量准确性又提高了测试效率；

(2)采用塞尺作为补偿垫片的基材，降低了补偿垫片的加工难度，提高了补偿精度；

(3)采用力矩改锥对单轴陀螺安装进行紧固，确保安装可靠性；

(4)安装误差补偿后进行的验证过程确保了补偿精度满足任务需求。

附图说明

图1为陀螺组件安装误差示意图；

图2为陀螺仪安装示意图；

图3为外径Φ9内径Φ4.2的垫片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

如图1所示陀螺组件安装误差角示意图。设陀螺仪的理论敏感轴为Z_b，理论坐标系为OX_bY_bZ_b(本文符号中带有上标b标示在理论坐标系下)，陀螺实际敏感轴为Z_a，实际坐标系为OX_aY_aZ_a(本文符号中带有上标a标示在实际坐标系下)。敏感轴X_a相对于X_b的偏差角为δθ_xy和δθ_xz，其中δθ_xy和δθ_xz的确定方法如下：从OX_a向OX_bY_b平面作垂线得到交线OX'，其中OX'与OX_b之间夹角为δθ_xy，OX'与OX_a之间的夹角为δθ_xz，Y_b与Z_b之间的安装误差角确定与X_b方法相同。

设陀螺仪实际输出为F^b，标度因数为K，由图1不难推得由OX_aY_aZ_a坐标系至OX_bY_bZ_b坐标系在Z轴上的转换关系为：

其中ω_x、ω_y、ω_z为均理论输入角速率。将陀螺组件的X轴朝天，而陀螺仪敏感轴朝南，ε为随机误差值。分别正反方向转动转台，转台输入角速率为ω_x和-ω_x，运行时间为t，设陀螺仪的输出为

和

当转台转动整圈时:

则根据上述公式可得：

其中，ω_ie为地球转速，L为纬度。

将上式相减得到Z轴相对于X轴间安装误差角：

同理，将陀螺组件的Y轴朝天，而陀螺仪的敏感轴朝南。转台输入角速率为ω_y和-ω_y，设陀螺仪的输出为

和

则根据上述公式可得：

将上式相减得到Z轴相对于y轴间安装误差角：

将上述δθ_xz和δθ_yz的安装误差角求出后，需要通过在陀螺安装孔上添加垫片调节陀螺的敏感轴方向，对陀螺进行安装误差校正。垫片的厚度以及放置垫片的位置均需要精确计算。陀螺仪安装示意图见图2，1，2，3，4分别为陀螺仪安装孔的编号。

假设标定得到Z轴相对于X轴的安装误差为δθ_xz，则垫片的高度为：

H_xz＝83.4×tanδθ_xz……………………………………6)

当安装误差δθ_xz>0，垫片放置的位置为1,4安装孔；当安装误差δθ_xz<0，则垫片放置的位置为2,3安装孔。

同理，可以用于Z轴相对于Y轴安装误差的校正。

由垫片的计算公式可知，当安装误差为2～3′时，需要的垫片厚度仅为0.049～0.073mm，这对垫片的材料和加工提出了很高的要求。经过调研和分析，最终确定了使用塞尺加工垫片的方案。由于不能精确保证垫片的厚度，在经过陀螺仪安装误差校正后，还需要对安装误差进行再次测量，对校正结果进行验证。

通过该方法可以将陀螺安装误差补偿在0.5′内。表1为正样件安装误差补偿前后对比。

表1

实施例1：

一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，包括下列步骤：

(1)将陀螺惯性测量装置的X轴朝天，而陀螺仪敏感轴(Z轴)朝南，放置在速率转台上；

(2)分别正反方向转动转台，转台输入角速率为ω_x和-ω_x，运行时间为t；

(3)通过计算得到陀螺敏感轴相对于X轴的安装误差；

(4)将陀螺惯性测量装置的Y轴朝天，而陀螺仪敏感轴朝南，放置在速率转台上；

(5)重复步骤(2)；

(6)通过计算得到陀螺敏感轴相对于Y轴的安装误差；

(7)通过计算，得到陀螺安装螺钉处需要增加的垫片厚度；

(8)选择合适厚度的塞尺，加工成垫片；

(9)将垫片放置在计算出的位置上，固定好；

(10)重复步骤(1)～(6)，计算补偿后的安装误差，检查补偿结果是否满足指标要求。

在步骤(1)中，根据需要陀螺组件的结构特点设计一个可以将其固定的工装，平行度和垂直度优于3"。

在步骤(2)中，输入的角速度越大，在敏感轴上投影得到的角速度越大，一般输入角速率范围10°/s～30°/s；预设时间范围36s～108s，要保证敏感轴转动角度为360°的整数倍。具体的，转速和运行时间应保证陀螺敏感轴转动角度为360°的整数倍，且安装误差带来的陀螺敏感轴输出足够大。因此可以先设置一个10°/s～30°/s范围内的角速率，转动时间为(360×4)/角速率，本实施例中转4圈，初步测试得到的陀螺敏感轴测试输出值应至少是该陀螺测量精度的10倍，且小于该陀螺的测量范围；当陀螺敏感轴测试输出值小于陀螺测量精度的10倍时，增大角速率，当陀螺敏感轴测试输出值超过陀螺测量范围的80％时，减小角速率。优选的，转动圈数选择3～4圈，这样既保证了测量的准确性又提高了测试效率。通过以上方法确定的角速率和预设时间，可保证安装误差带来的角速度足够大，且通过转动整圈排除地速分量的影响。

在步骤(3)中，使用公式3)得到敏感轴相对于X轴的安装误差；

在步骤(6)中，使用公式5)得到敏感轴相对于Y轴的安装误差；

在步骤(7)中，使用公式6)得到垫片厚度；

在步骤(8)中，塞尺的厚度是固定的，可根据计算得到的厚度，选择厚度最接近的垫片，或者由2个垫片组合成合适的厚度，最多不超过3片，避免累积误差较大，影响补偿精度，垫片尺寸与陀螺安装孔尺寸相关，本案例为外径Φ9内径Φ4.2的垫片(见图3)；

在步骤(9)中，根据安装误差角度的正负，确定垫片放置的位置，使用定力矩工具旋动4个螺钉，使陀螺紧固；

在步骤(10)中，补偿结果应满足技术要求，一般应不大于5′。

实施例2：

安装误差是影响光纤陀螺惯性测量装置的测量精度的重要因素，因此，为了提高惯性测量装置的测量精度，需要对安装误差进行补偿。本发明针对单轴陀螺组件提出了一种安装误差标定及补偿方法，该方法依靠安装误差导致的角速度在敏感轴上的投影测量出相对于各个轴向的安装误差角，再根据陀螺尺寸计算出需要补偿的高度，使用塞尺加工出满足补偿要求的垫片，实现减小安装误差提高陀螺测量精度的作用。

本发明的安装误差标定及补偿方法，包括步骤如下：

(1)使用工装，将陀螺惯性测量装置的X轴朝天，而陀螺仪敏感轴朝南，放置在速率转台上；

(2)分别正反方向转动转台，转台输入角速率为30°/s和-30°/s，运行时间为48s；

(3)通过计算得到陀螺敏感轴相对于X轴的安装误差；

(5)重复步骤(2)；

(6)通过计算得到陀螺敏感轴相对于Y轴的安装误差；

(7)通过计算，得到陀螺安装螺钉处需要增加的垫片厚度；

(8)选择合适厚度的塞尺，加工成垫片；

(9)将垫片放置在计算出的位置上，固定好；

实施例3：

应用实施例1或2的方法，一种单轴陀螺安装误差标定与补偿的方法，该方法的步骤包括：

(3)通过计算得到陀螺敏感轴相对于X轴的安装误差-2.4000′；

(5)重复步骤(2)；

(6)通过计算得到陀螺敏感轴相对于Y轴的安装误差-3.0014′；

(7)通过计算，得到陀螺安装螺钉2、3处需要增加的垫片厚度为0.0728mm，1、2处需要增加的垫片厚度为0.0582mm；

(8)选择厚度为0.01mm、0.02mm和0.05mm的塞尺，加工成垫片，垫片尺寸见图3；

(9)将厚度为0.02mm和0.05mm的垫片组合成0.07mm的垫片放置在2,3点，厚度为0.01mm和0.05mm的垫片组合成0.06mm的垫片放置在1点，设置力矩为23kgf·cm，将陀螺螺钉紧固；

(10)重复步骤(1)～(6)，计算补偿后的安装误差，检查补偿后结果为相对于X轴安装误差为0.2668′，相对于Y轴安装误差为-0.2116′，满足不大于0.5′的要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。