CN113483784B - 一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯测组合数字坐标系与结构坐标系误差标定试验方法及设备，该设备包括：底座；设于所述底座上的两支撑架；分别设于所述两支撑架上的两横向转轴；左右两端分别与所述两横向转轴连接的箱体；固定地设于所述箱体内壁的固定座；固定座上设有纵向转轴；与所述纵向转轴固定连接的用于安装惯测组合的安放台面；与温箱连接的温度控制柜；分别与所述两横向转轴和纵向转轴连接的驱动装置；通过CAN总线与所述惯测组合连接的惯测组合测试装置；以及分别与驱动装置和惯测组合测试装置连接的测控柜。通过本发明进行惯测组合数字坐标系与结构坐标系误差标定，具有测试简单、结果准确、效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤惯组数字坐标系与结构坐标系的误差标定方法，属于惯组测试技术领域。
背景技术
光纤惯组主要由3个光纤陀螺、3个加速度计、转位机构和相关电路组成，主要用于敏感载体运动中的角速度和加速度，经过导航计算，得到载体运动的姿态和位置信息。
光纤惯组坐标系分为两种，分别为数字坐标系和结构坐标系。其中数字坐标系是惯组内部的虚拟基准，惯组的标定参数是建立在自身数字坐标系(加速度计坐标系)基础上的。结构坐标系是惯组外部的结构安装基准，有精准的侧靠面和水平安装面，实现与***坐标系之间的统一。在***应用中采用惯组标定参数进行导航计算，根据计算的姿态和位置结果，发送控制指令，控制舵机进行转动，按照预定轨道进行运动。由于惯组参数是建立在数字坐标系基础上的，而舵机等转动部件是和惯组结构坐标系对应的，因此为保证闭环控制精度，数字坐标系和结构坐标系理论上应完全一致。
光纤惯组数字坐标系是建立在内部三个正交方向加速度计敏感轴上的，一旦加速度计在内部本体上安装到位，则数字坐标系就已相对确定。然后，本体再通过转位机构、锁紧机构等转接安装到外部法兰上，最后整机一起安装到***支架上。安装法兰作为光纤惯组的结构载体和外部结构接口，有水平和竖直安装基面，通过贴合***结构支架的基准面安装，实现与***坐标系的统一和固定，即惯组结构坐标系是建立在外部安装法兰上的。由于不同加速度计的轴向偏差不同，因此每套产品的数字坐标系是不相同的，而建立在安装法兰上的结构坐标系，是通过结构精密加工保证的，不同产品之间差异基本可以忽略。
由于每套产品的数字坐标系不同，二结构坐标系基本相同，因此两个坐标系存在一定的偏差，需要进行测试补偿，来减小对导航和闭环控制精度的影响。对坐标系偏差的机理进行分析，主要受加速度计轴向不同，同时还受结构加工精度、转位机构装配精度等误差的影响，因此，为保证标定偏差值的精度，需要一套精密的测试设备和方法。目前，国内外在坐标系之间的标定方法主要集中在惯组数字坐标系与外部坐标系信息之间的标定，即产品安装在***之后，在***上进行坐标系误差的标定，涉及工作量大，标定复杂，若惯组更换后需重新在***上进行标定，不利于整体的维护保障。经查询专利文档和资料，发明专利《一种单轴调制激光陀螺惯性导航***多坐标系标定方法》公开了一种单轴调制激光陀螺惯性导航***多坐标系标定方法。该方法IMU在大理石上安装贴合基准面，进行长时间通电测试，然后通过标校软件进行欧拉角计算，得到IMU的初始姿态；再通过外部经纬仪瞄准IMU的外部棱镜，得到初始方位角，实现水平基面、方位棱镜坐标系与惯导坐标系误差的标定，避免了更换IMU后繁杂的标校工作。
该方法方位基准建立在棱镜上，需要外部经纬仪进行瞄准，若产品未安装棱镜，则无法有效标校航向角的偏差。同时产品内部航向轴是通过算法对准计算而来，受外部环境和内部参数影响较大，需要较长时间才能得到较高的精度，测试的效率和精度有限。因此，本发明提出了一种基于转台的光纤惯组坐标系误差标定方法，无需外部瞄准棱镜，通过转台几个位置的转动可以快速得到坐标系偏差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术应用中的不足之处，提供一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备及方法，该方法不需要外部瞄准设备配合，能为未安装棱镜产品进行坐标系偏差测试，同时测试流程简单，测试时间与测试精度无相关性。
实现本发明目的采用的技术方案是：将光纤惯组安装在安放台面上，光纤惯组的基准面与转台的基准面完全贴合，光纤惯组通电稳定后，通过测试仪控制双轴转台按照流程完成对应位置的转动和静止停留，最后计算得到惯组数字坐标系与结构坐标系之间的偏差。
本发明提供的一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备，包括底座，
两支撑架，分别对称设于所述底座两侧；
轴线水平布置的两横向转轴，分别设于所述两支撑架上；
箱体，其左右两端分别与所述两横向转轴连接，所述两横向转轴的转动驱动该箱体转动；
轴线竖向布置的纵向转轴，设于所述箱体内；
用于安装光纤惯组的安放台面，所述安放台面呈水平布置，且与所述纵向转轴固定连接，安放台面上设有基准面，基准面上设有固定光纤惯组的定位销；
驱动装置，分别与所述两横向转轴和纵向转轴连接；
惯组测试设备，通过CAN总线与所述光纤惯组连接；以及
测控柜，分别与所述驱动装置和惯组测试设备连接。
进一步的，所述光纤惯组的X轴与所述纵向转轴的轴线方向相同；
所述光纤惯组的Y轴与所述横向转轴的轴线方向相同。
进一步的，按右手定则控制纵向转轴的转动方向，其中右手定则约定如下：以右手握住X轴，大拇指朝向X轴正向，其它四个手指弯曲的方向即为光纤惯组1的转动方向；同理，按上述的右手定则的规定方式控制横向转轴的转动方向。
本发明还提供一种利用上述技术方案所述的误差标定试验设备进行误差标定的试验方法，包括如下步骤：
(1)光纤惯组安装在安放台面上，光纤惯组侧向与基准面上的定位销紧密贴合，并通过螺钉固定，连接好惯组测试设备、光纤惯组和测控柜之间的电缆；
(2)光纤惯组上电达到稳定时间后，惯组测试设备向测控柜发送自检信号，测控柜给驱动装置发送指令，控制转台横向转轴和纵向转轴回到初始位置，并将结果反馈给惯组测试设备；
(3)自检合格后，惯组测试设备向测控柜发送转位控制信号，测控柜解析控制指令，给驱动装置发送横向转轴和纵向转轴角度转动指令，试验共包含n个转动位置；
(4)驱动装置分别驱动横向转轴带动箱体转动，以及驱动纵向转轴带动安放台面转动，直至箱体和安放台面转动到指定位置并静止；
(5)惯组测试设备开始测试光纤惯组的数据，每个位置测试时间为T，测试期间箱体和安放台面一直保持静止状态；
(6)静态测试完毕，惯组测试设备向测控柜发送下一个位置的转位控制指令，重复步骤(4)和(5)，直至完成所有位置数据的测试；
(7)根据获得的所有位置的测试数据，计算得到坐标系三轴正交轴的偏差，即光纤惯组数字坐标系X、Y、Z轴与结构坐标系X、Y、Z轴之间的偏差。
进一步的，惯组测试设备在每个静止位置停止后，开始测试光纤惯组的数据，测试时间为60s，试验结束得到11个数组，纵向转轴转动的角度以及横向转轴转动的角度设置如下表1所示；
表1
| 位置序号 | 纵向转轴角度(°) | 横向转轴角度(°) | 停留时间(s) |
| 1 | 0 | 0 | 60 |
| 2 | 0 | 90 | 60 |
| 3 | 0 | 180 | 60 |
| 4 | 0 | 270 | 60 |
| 5 | 90 | 270 | 60 |
| 6 | 180 | 270 | 60 |
| 7 | 270 | 270 | 60 |
| 8 | 270 | 180 | 60 |
| 9 | 270 | 90 | 60 |
| 10 | 270 | 0 | 60 |
| 11 | 0 | 0 | 60 |
假设纵向转轴或横向转轴的转动速率为ω，转动的时间为t，两个位置之间满足关系为ω×t＝90°。
进一步的，步骤(7)中计算得到坐标系三轴正交轴的偏差的具体实现方式如下；
式中，Kxy、Kxz、Kyz分别为已知的Y向加速度计相对数字坐标系X轴的安装误差、Z向加速度计相对数字坐标系X轴的安装误差、Z向加速度计相对数字坐标系Y轴的安装误差，为已知量；
k0x、k0y、k0z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计零偏，k1x、k1y、k1z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计标度因数，kyz为Z向加速度计相对结构坐标系Y轴的安装误差，kxz为Z向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，kxy为Y向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，其中后面的数字表示通过不同计算方式得到的安装误差；NAxi为第i个T时间节点内X向加速度计输出的脉冲总数，NAyi为第i个T时间内Y向加速度计输出的脉冲总数，NAzi为第i个T时间内Z向加速度计输出的脉冲总数，其中i＝1,2..11；
αZF为光纤惯组数字坐标系Z轴与结构坐标系Z轴之间的偏差；
αYF为光纤惯组数字坐标系Y轴与结构坐标系Y轴之间的偏差；
αXF为光纤惯组数字坐标系X轴与结构坐标系X轴之间的偏差。
本发明具有测试简单、方便快捷、准确可靠等特点，仅需提供双轴转台，将产品安装在台面上，即可开展测试工作，不需要额外的设备和准备工作；测试中通过软件控制转台按照流程转动，并取得相应的惯组静态数据，计算得到对应的坐标系误差角；由于转台具有精密结构基准，试验中不需要产品内部进行导航结算，减小了不同误差之间的耦合，测试结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明坐标系误差标定设备的结构示意图；
图2为图1中惯测组合的安装结构示意图；
图3为本发明数字坐标系与结构坐标系之间的关系图；
图4为使用图1所示坐标系误差标定试验的坐标系安装图；
图5为坐标系误差标定的测试流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备，包括：底座9；底座9上分别设有左支撑架10.1和右支撑架10.2；左支撑架10.1和右支撑架10.2上分别设有左横向转轴2.1和右横向轴2.2，左横向转轴2.1和右横向轴2.2的轴线均为水平方向。左横向转轴2.1和右横向轴2.2之间设有箱体3，即箱体3的左右两端分别与左横向转轴2.1和右横向轴2.2连接，左横向转轴2.1和右横向轴2.2转动时能够驱动箱体3绕着水平向的轴线转动。
箱体3的内纵向转轴8，纵向转轴8的轴线为竖直方向，纵向转轴8的外部设有安放台面7，光纤惯组1安装在安放台面7上，紧靠着基准面4，所述基准面是用于保证光纤惯组产品安装满足水平度和垂直度要求的，是固定在安装台面上的，光纤惯组1侧面也有一个高精度的基准安装面，这个面需要和安放台面7上的基准面4的定位销贴合安装。纵向转轴8转动时驱动安放台面7转动，从而带动光纤惯组1转动。
左横向转轴2.1和右横向轴2.2和纵向转轴分别连接有驱动装置5，驱动装置5用于驱动两个横向转轴2.1，2.2和纵向转轴8转动。
本发明设备还包括测控柜6和惯组测试设备11，测控柜6用于接收惯组测试设备11的指令信号，转换后发送给驱动装置5，控制横向转轴和纵向转轴的转动。惯组测试设备11与惯测组合1、测控柜6连接，主要用于测试光纤惯组1的数据和向测控柜6发送转位控制指令。
上述通过惯组测试设备11测试光纤惯组1数据，控制测控柜6，驱动转位装置5实现纵向转轴和横向转轴的转动均为本领域技术人员所常用技术手段，此处不再赘述。
如图3所示，光纤惯组数字坐标系为OXMYMZM，结构坐标系为OXFYFZF。两个坐标系均是正交坐标系，其相互转换可以用三个欧拉角来表示，由结构坐标系到惯组数字坐标系的转换角度符号和旋转次序定义为αzFαyFαxF
如图4所示，光纤惯组1的安装方向为：X轴与纵向转轴的轴线方向相同；惯测组合的Y轴与横向转轴的轴线方向相同。本实施例按右手定则控制纵向转轴的转动方向，其中右手定则约定如下：以右手握住X轴，大拇指朝向X轴正向，其它四个手指弯曲的方向即为惯测组合1的转动方向；同理，本实施例按上述的右手定则的规定方式控制横向转轴的转动方向。以上只是示例性的说明了通过纵向转轴和横向转轴控制惯测组合转动的方向，实际应用中可以根据具体情况进行相应变化。
如图5所示，使用本发明进行光纤惯组数字坐标系和结构坐标系误差标定试验，包括以下具体步骤：
(1)光纤惯组安装在安放台面上，光纤惯组侧向与基准面上的定位销紧密贴合，并通过螺钉固定，连接好惯组测试设备、光纤惯组和测控柜之间的电缆；
(2)光纤惯组上电达到稳定时间后，惯组测试设备11向测控柜6发送自检信号，测控柜6给驱动装置5发送指令，控制转台横向转轴和纵向转轴回到初始位置，并将结果反馈给惯组测试设备11；
(3)自检合格后，惯组测试设备11向测控柜6发送转位控制信号，测控柜6解析控制指令，给驱动装置5发送横向转轴和纵向转轴角度转动指令，试验共包含n个转动位置；
(4)驱动装置5分别驱动左横向转轴2.1和右横向轴2.2带动箱体3转动，以及驱动纵向转轴带动安放台面7转动，直至箱体3和安放台面7转动到指定位置并静止；
(5)惯组测试设备11开始测试光纤惯组1的数据，每个位置测试时间为T，测试期间箱体3和安放台面7一直保持静止状态；
(6)静态测试完毕，惯组测试设备11向测控柜6发送下一个位置的转位控制指令，重复步骤(4)和(5)，直至完成所有位置数据的测试；
(7)根据获得的所有位置的测试数据，计算得到坐标系三轴正交轴的偏差，即光纤惯组数字坐标系X、Y、Z轴与结构坐标系X、Y、Z轴之间的偏差。
本实施例中设定左横向转轴2.1、右横向轴2.2，以及纵向转轴8的转动速率ω，转动的时间t，两个位置之间满足关系为ω×t＝90°，取ω为10°/s，t为9s，共11个位置，每个静止位置停留时间为60s，试验中纵向转轴8转动的角度以及左横向转轴2.1和右横向轴2.2转动的角度设置如下表1所示。
表1
惯组测试设备11在每个静止位置停止后，开始测试光纤惯组1的数据，测试时间为60s，试验结束得到11个数组，每个T时间内累计的惯组数据为：令NAxi为第i个T时间内X向加速度计输出的脉冲总数，NAyi为第i个T时间内Y向加速度计输出的脉冲总数，NAzi为第i个T时间内Z向加速度计输出的脉冲总数，其中，i＝1,2..11。
在进行坐标系误差计算之前，需要已知的惯组参数为加速度计的安装误差Kxy、Kxz、Kyz。对所有位置数据计算得到加速度计零偏k0x、k0y、k0z，标度因数k1x、k1y、k1z和安装误差kxy、kxz、kyz，具体定义见表2，再通过安装误差kxy、kxz、kyz计算得到坐标系偏差角αZF，αYF、αXF。
表2
| 序号 | 符号 | 定义 |
| 1 | k1x | X向加速度计标度因数 |
| 2 | k1y | Y向加速度计标度因数 |
| 3 | k1z | Z向加速度计标度因数 |
| 4 | k0x | X向加速度计的零偏 |
| 5 | k0y | Y向加速度计的零偏 |
| 6 | k0z | Z向加速度计的零偏 |
| 7 | kyz | Z向加速度计相对结构坐标系Y轴的安装误差 |
| 8 | kxz | Z向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差 |
| 9 | kxy | Y向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差 |
测试过程中计算公式如下：
式中，k0x、k0y、k0z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计零偏，k1x、k1y、k1z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计标度因数，kyz为Z向加速度计相对结构坐标系Y轴的安装误差，kxz为Z向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，kxy为Y向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，其中后面的数字表示通过不同计算方式得到的安装误差；NAxi为第i个T时间节点内X向加速度计输出的脉冲总数，NAyi为第i个T时间内Y向加速度计输出的脉冲总数，NAzi为第i个T时间内Z向加速度计输出的脉冲总数，其中i＝1,2..11；
αZF为光纤惯组数字坐标系Z轴与结构坐标系Z轴之间的偏差；
αYF为光纤惯组数字坐标系Y轴与结构坐标系Y轴之间的偏差；
αXF为光纤惯组数字坐标系X轴与结构坐标系X轴之间的偏差。
计算得到坐标系三轴正交轴的偏差角，可以据此对产品的内部安装进行检查，以及***使用效果进行评估，若超出要求值则反映出装配存在问题，在***使用时将带来额外的不可忽略的误差，影响***使用精度和整体性能，需要返修处理。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备，其特征在于：包括底座，
两支撑架，分别对称设于所述底座两侧；
轴线水平布置的两横向转轴，分别设于所述两支撑架上；
箱体，其左右两端分别与所述两横向转轴连接，所述两横向转轴的转动驱动该箱体转动；
轴线竖向布置的纵向转轴，设于所述箱体内；
用于安装光纤惯组的安放台面，所述安放台面呈水平布置，且与所述纵向转轴固定连接，安放台面上设有基准面，基准面上设有固定光纤惯组的定位销；
驱动装置，分别与所述两横向转轴和纵向转轴连接；
惯组测试设备，通过CAN总线与所述光纤惯组连接；以及
测控柜，分别与所述驱动装置和惯组测试设备连接；
利用所述误差标定试验设备进行误差标定的试验方法，包括如下步骤：
(1)光纤惯组安装在安放台面上，光纤惯组侧向与基准面上的定位销紧密贴合，并通过螺钉固定，连接好惯组测试设备、光纤惯组和测控柜之间的电缆；
(2)光纤惯组上电达到稳定时间后，惯组测试设备向测控柜发送自检信号，测控柜给驱动装置发送指令，控制转台横向转轴和纵向转轴回到初始位置，并将结果反馈给惯组测试设备；
(3)自检合格后，惯组测试设备向测控柜发送转位控制指令，测控柜解析控制指令，给驱动装置发送横向转轴和纵向转轴角度转动指令，试验共包含n个转动位置；
(4)驱动装置分别驱动横向转轴带动箱体转动，以及驱动纵向转轴带动安放台面转动，直至箱体和安放台面转动到指定位置并静止；
(5)惯组测试设备开始测试光纤惯组的数据，每个位置测试时间为T，测试期间箱体和安放台面一直保持静止状态；
惯组测试设备在每个静止位置停止后，开始测试光纤惯组的数据，测试时间为60s，试验结束得到11个数组，纵向转轴转动的角度以及横向转轴转动的角度设置如下所示；
位置序号1，纵向转轴角度0°，横向转轴角度0°，停留时间60s；
位置序号2，纵向转轴角度0°，横向转轴角度90°，停留时间60s；
位置序号3，纵向转轴角度0°，横向转轴角度180°，停留时间60s；
位置序号4，纵向转轴角度0°，横向转轴角度270°，停留时间60s；
位置序号5，纵向转轴角度90°，横向转轴角度270°，停留时间60s；
位置序号6，纵向转轴角度180°，横向转轴角度270°，停留时间60s；
位置序号7，纵向转轴角度270°，横向转轴角度270°，停留时间60s；
位置序号8，纵向转轴角度270°，横向转轴角度180°，停留时间60s；
位置序号9，纵向转轴角度270°，横向转轴角度90°，停留时间60s；
位置序号10，纵向转轴角度270°，横向转轴角度0°，停留时间60s；
位置序号11，纵向转轴角度0°，横向转轴角度0°，停留时间60s；
记纵向转轴或横向转轴的转动速率为ω，转动的时间为t，两个位置之间满足关系为ω×t＝90°；
(6)静态测试完毕，惯组测试设备向测控柜发送下一个位置的转位控制指令，重复步骤(4)和(5)，直至完成所有位置数据的测试；
(7)根据获得的所有位置的测试数据，计算得到坐标系三轴正交轴的偏差，即光纤惯组数字坐标系X、Y、Z轴与结构坐标系X、Y、Z轴之间的偏差；
步骤(7)中计算得到坐标系三轴正交轴的偏差的具体实现方式如下；
式中，Kxy、Kxz、Kyz分别为已知的Y向加速度计相对数字坐标系X轴的安装误差、Z向加速度计相对数字坐标系X轴的安装误差、Z向加速度计相对数字坐标系Y轴的安装误差，为已知量；
k0x、k0y、k0z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计零偏，k1x、k1y、k1z分别为结构坐标系下X向、Y向、Z向加速度计标度因数，kyz为Z向加速度计相对结构坐标系Y轴的安装误差，kxz为Z向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，kxy为Y向加速度计相对结构坐标系X轴的安装误差，其中后面的数字表示通过不同计算方式得到的安装误差；NAxi为第i个T时间节点内X向加速度计输出的脉冲总数，NAyi为第i个T时间内Y向加速度计输出的脉冲总数，NAzi为第i个T时间内Z向加速度计输出的脉冲总数，其中i＝1,2..11；
αZF为光纤惯组数字坐标系Z轴与结构坐标系Z轴之间的偏差；
αYF为光纤惯组数字坐标系Y轴与结构坐标系Y轴之间的偏差；
αXF为光纤惯组数字坐标系X轴与结构坐标系X轴之间的偏差。
2.如权利要求1所述的一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备，其特征在于：
所述光纤惯组的X轴与所述纵向转轴的轴线方向相同；
所述光纤惯组的Y轴与所述横向转轴的轴线方向相同。
3.如权利要求1所述的一种光纤惯组数字坐标系与结构坐标系误差标定试验设备，其特征在于：按右手定则控制纵向转轴的转动方向，其中右手定则约定如下：以右手握住X轴，大拇指朝向X轴正向，其它四个手指弯曲的方向即为光纤惯组的转动方向；同理，按上述的右手定则的规定方式控制横向转轴的转动方向。
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