一种角锥体惯性测量单元及三轴陀螺刻度因子自标定方法技术

本发明专利技术涉及一种角锥体惯性测量单元及三轴陀螺刻度因子自标定方法，所述角锥体惯性测量单元设置在转台上，所述角锥体惯性测量单元包括角锥体安装工装、单轴陀螺仪和单轴加速度计；所述角锥体为四面体结构；所述转台底部与现有电机转子固定连接，由电机带动所述转台转动；所述角锥体安装工装底面固定设置在所述转台顶部，所述角锥体安装工装的每个侧面上均设置有所述单轴陀螺仪和单轴加速度计，且所述单轴陀螺仪和单轴加速度计呈交错设置。本发明专利技术能实现现场标校刻度因子，从而提高导航精度。

A cone inertial measurement unit and self calibration method for three axis gyro scale factor

The present invention relates to a self calibration method for cone inertial measurement unit and three axis gyro scale factor, the cone angle of inertial measurement unit are arranged on a turntable, the cone of inertial measurement unit includes a pyramid installation fixture, single axis gyroscope and single axis accelerometer; the cone angle for the tetrahedral structure; at the bottom of the turntable with the existing motor rotor is fixedly connected with the motor driven by the rotation of a rotary table; the cone bottom surface installation is fixed on the table top, wherein the single axis gyroscope and single axis accelerometer are set for each side installation fixture of cone angle, and the single axis gyroscope and the single axis accelerometer is cross set. The invention can realize calibration factor on the spot, so as to improve the navigation precision.

【技术实现步骤摘要】
一种角锥体惯性测量单元及三轴陀螺刻度因子自标定方法
本专利技术涉及一种惯性
，特别是关于一种角锥体惯性测量单元及三轴陀螺刻度因子自标定方法。
技术介绍
现有的惯性测量单元(inertialmeasurementunit，IMU)大多采用是立方体结构，三个单轴的陀螺和三个单轴的加速度计安装在立方体的六个面上，这种结构空间利用率低，不利于实现轻小型化。另外，陀螺仪精度对惯性导航系统的导航精度起着决定性的作用，而刻度因子误差是影响陀螺仪精度的重要因素。一般IMU在出厂前会进行一次标定，但是随着存放时间和应用环境的改变，刻度因子会发生变化，因此在应用于惯性导航系统前会进行再次标定。传统的分立式标校方法是利用三轴转台带动立方体结构的惯性测量单元进行旋转，完成IMU三轴陀螺的标定，这就使得标定与应用是分离的，不能够实现现场标定。而如果使用双轴或三轴旋转调制方案对IMU进行自标定，这又增加了系统的复杂度，降低了系统的可靠性，给高精度惯性导航系统的设计带来极大考验。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种角锥体惯性测量单元及三轴陀螺刻度因子自标定方法，其能提高导航系统精度，同时角锥体IMU可以减小惯性导航系统的体积，提高空间利用率。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：所述角锥体惯性测量单元设置在转台上，所述角锥体惯性测量单元包括角锥体安装工装、单轴陀螺仪和单轴加速度计；所述角锥体为四面体结构；所述转台底部与现有电机转子固定连接，由电机带动所述转台转动；所述角锥体安装工装底面固定设置在所述转台顶部，所述角锥体安装工装的每个侧面上均设置有所述单轴陀螺仪和单轴加速度计，且所述单轴陀螺仪和单轴加速度计呈交错设置。进一步，每个所述单轴陀螺仪以及每个所述单轴加速度计的敏感轴与其所在所述角锥体安装工装的侧面垂直向外。进一步，所述角锥体安装工装采用切掉四个尖角的角锥体结构。进一步，所述角锥体安装工装的三个侧面相互垂直；所述角锥体惯性测量单元的旋转轴为Z轴方向。一种基于上述角锥体惯性测量单元的三轴陀螺刻度因子自标定方法，其特征在于：该方法通过单轴旋转，由电机提供不同角速率的激励，在不翻转所述角锥体惯性测量单元的情况下，利用最小二乘算法对三轴陀螺进行刻度因子自标定。进一步，所述角锥体惯性测量单元的三轴陀螺刻度因子自标定方法，其特征在于包括以下步骤：1)设角锥体安装工装的侧棱与底面夹角为α，电机输入角速率ω绝对值从小到大顺序改变，每个角速率下分别记录三个陀螺仪的输出值，并求出该输入角速率下每个陀螺仪输出的平均值：式中，Ui表示输入第i个角速率时陀螺仪输出的平均值，Uip表示第i个角速率时陀螺仪第p个输出值；N为采样次数；2)建立陀螺仪输入输出线性模型：U＝KX+b，式中，U表示陀螺仪输出的平均值；K表示刻度因子；X为陀螺仪输入量X＝ωsinα；b为拟合零偏；对每个陀螺仪都进行最小二乘拟合，计算刻度因子K、拟合零偏b，即能在不翻转IMU的情况下计算出三个陀螺仪的刻度因子K和拟合零偏b，进而实现三轴陀螺刻度因子自标定。进一步，所述刻度因子K、拟合零偏b为：式中，q为采样序数；Xq为陀螺仪第q次输入量；Uq为陀螺仪在Xq输入时对应的输出平均值；n为输入角速率的点数。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术能够在不增加惯导系统旋转复杂度的情况下，不翻转角锥体IMU就能通过单轴旋转对三轴陀螺进行刻度因子自标定，提高导航系统精度。2、本专利技术采用的角锥体安装工装体积小，比现有的立方体结构的安装工装更加节省空间，空间利用率高，有利于实现IMU的轻小型化；角锥体安装工装的三个侧面相互垂直，保持了各个惯性仪表之间的最简单的解算关系。3、由于传统的立方体结构，单轴旋转方案不能进行三轴陀螺刻度因子自标定，而本专利技术采用的角锥体结构的IMU，可以在电机提供不同角速率激励的情况下，对三轴陀螺同时进行刻度因子自标定。4、在刻度因子自标定之后，采用单轴连续正反转方案可以调制垂直于旋转轴方向的惯性器件零偏分量，从而减小惯性器件零偏对导航精度的影响，提高捷联惯导的工作精度。附图说明图1是本专利技术的角锥体惯性测量单元结构示意图；图2是图1的主视图；图3是本专利技术的角锥体形状几何示意图，仅用于三轴陀螺刻度因子自标定的方法说明，为角锥体工装未切掉四个尖角时的形状；图4是对陀螺进行分析的简化图，其中，XYZ坐标系是载体坐标系，Gyro表示陀螺仪的敏感轴方向，Z轴表示电机的转动轴方向，θ表示陀螺敏感轴与旋转轴的夹角，是陀螺敏感轴在水平面的投影与X轴的夹角。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。可以理解的是本专利技术的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他的情况下，为了不混淆对这些描述的理解，公知的电机、测角元件、处理电路等结构没有被具体示出。如图1、图2所示，本专利技术提供一种角锥体惯性测量单元，该角锥体惯性测量单元设置在转台1上，其包括角锥体安装工装2、单轴陀螺仪3和单轴加速度计4；其中，角锥体安装工装2为四面体结构。转台1底部与现有电机转子固定连接，由电机带动转台1转动；角锥体安装工装2底面固定设置在转台1顶部。角锥体安装工装2的每个侧面上均设置有单轴陀螺仪3和单轴加速度计4，且单轴陀螺仪3和单轴加速度计4呈交错设置。在一个优选地实施例中，每个单轴陀螺仪3以及每个单轴加速度计4的敏感轴与其所在角锥体安装工装2的侧面垂直向外。在一个优选地实施例中，角锥体安装工装2采用切掉四个尖角的角锥体结构，这样可以保障在安装使用过程中的安全性，并不影响角锥体结构的几何特点。上述实施例中，角锥体安装工装2的三个侧面相互垂直；角锥体IMU的旋转轴为Z轴方向，即转台的旋转轴方向，如图3所示。本专利技术还提供一种角锥体惯性测量单元的三轴陀螺刻度因子自标定方法，通过单轴旋转方案，结合角锥体结构的几何特点，由电机提供不同角速率的激励，可以在不翻转角锥体IMU(惯性测量单元)的情况下，利用最小二乘算法对三轴陀螺进行刻度因子自标定。由于系统中有电机，而且具有特殊的角锥体结构，使得陀螺仪敏感轴与旋转轴之间存在固定的夹角，因此可以利用电机输出角速率对IMU进行自标定。本专利技术的自标定方法包括以下步骤：1)如图3所示，设角锥体安装工装2的侧棱与底面夹角为α，电机输入角速率ω绝对值从小到大顺序改变，每个角速率下分别记录三个陀螺仪3的输出值，并求出该输入角速率下每个陀螺仪输出的平均值：式中，Ui表示输入第i个角速率时陀螺仪输出的平均值，i＝1,2,3,4,5…；Uip表示第i个角速率时陀螺仪第p个输出值；N为采样次数。2)建立陀螺仪输入输出线性模型：U＝KX+b(2)式中，U表示陀螺仪输出的平均值；K表示刻度因子；X为陀螺仪输入量,X＝ωsinα，根据几何关系，可以求得b为拟合零偏。对每个陀螺仪都进行最小二乘拟合，计算K、b：式中，q为采样序数；Xq为陀螺仪第q次输入量；Uq为陀螺仪在Xq输入时对应的输出平均值；n为输入角速率的点数。这样即可在不翻转角锥体IMU的情况下，同时计算出三个陀螺仪的刻度因子K和拟合零偏b，进而实现三轴陀螺刻度因子自标定。本专利技术在自标定之后，采用单轴旋转还可以调制垂直于旋转轴方向的零偏分量。由于角锥体安装工装2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：所述角锥体惯性测量单元设置在转台上，所述角锥体惯性测量单元包括角锥体安装工装、单轴陀螺仪和单轴加速度计；所述角锥体为四面体结构；所述转台底部与现有电机转子固定连接，由电机带动所述转台转动；所述角锥体安装工装底面固定设置在所述转台顶部，所述角锥体安装工装的每个侧面上均设置有所述单轴陀螺仪和单轴加速度计，且所述单轴陀螺仪和单轴加速度计呈交错设置。

【技术特征摘要】
1.一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：所述角锥体惯性测量单元设置在转台上，所述角锥体惯性测量单元包括角锥体安装工装、单轴陀螺仪和单轴加速度计；所述角锥体为四面体结构；所述转台底部与现有电机转子固定连接，由电机带动所述转台转动；所述角锥体安装工装底面固定设置在所述转台顶部，所述角锥体安装工装的每个侧面上均设置有所述单轴陀螺仪和单轴加速度计，且所述单轴陀螺仪和单轴加速度计呈交错设置。2.如权利要求1所述的一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：每个所述单轴陀螺仪以及每个所述单轴加速度计的敏感轴与其所在所述角锥体安装工装的侧面垂直向外。3.如权利要求1所述的一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：所述角锥体安装工装采用切掉四个尖角的角锥体结构。4.如权利要求1所述的一种角锥体惯性测量单元，其特征在于：所述角锥体安装工装的三个侧面相互垂直；所述角锥体惯性测量单元的旋转轴为Z轴方向。5.一种基于权利要求1至4任一项所述角锥体惯性测量单元的三轴陀螺刻度因子自标定方法，其特征在于：该方法通过单轴旋转，由电机提供不同角速率的激励，在不翻转所述角锥体惯性测量单元的情况下，利用最小二乘算法对三轴陀螺进行刻度因子自标定。6.如权利要求5所述的角锥体惯性测量单元的三轴陀螺刻度因子自标定方法，其特征在于包括以下步骤：1)设角锥体安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵘，郭美凤，邢海峰，张永健，周斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11