一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的精确解耦测试方法，首先安装陀螺仪在状态一，即保持陀螺仪ＯＹ轴与转台面平行并调节ＯＺ轴与转台轴成夹角θ↓［ｉ］，依次给定输入角速率，依次测试并记录转台转动前静止时、转台正转时、停转静止时、转台反转时、停转静止时陀螺仪输出的平均值，改变步骤（１）的θ↓［ｉ］，重复步骤（２）；依次分别改变陀螺仪的安装状态为状态二、三、四，重复步骤（１）－（３）；对测得的数据处理，实现陀螺仪标度因数和输入轴失准角的解耦。本发明专利技术保证了测试值的正确和精确，减少了参数误差，可用于标定各种陀螺仪以及其惯性测量单元，尤其适用于微小型、低成本、低精度的ＭＥＭＳ陀螺仪、光纤陀螺仪等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于导航、制导与控制领域。
技术介绍
在惯性导航过程中，惯性器件所引起的误差通常占整个制导误差的70％以上，这就导致对惯性器件提出了越来越高的要求。通过提高加工工艺，可以提高惯性器件的精度，但是成本巨大，而且给批量生产带来了很大困难。因此，人们更加关注惯性器件的测试、标定和补偿技术，其中，惯导测试技术是在惯性导航技术基础上发展起来的一门新兴学科，它包括惯导测试设备、测试方法、数据处理技术三个方面。通过惯导测试技术，人们力求准确评定陀螺仪性能及精度，精确测试出有关参数，并通过误差补偿措施来提高惯性器件的精度。在陀螺中，陀螺标度因数和陀螺输入轴失准角正是提高精度需要测试的两个非常关键的参数。标度因数K是指陀螺仪输出电压量V与输入角速率ω的比值，通常把与陀螺仪安装基准面垂直的轴叫做输入基准轴IR，如图1所示，通常把陀螺的敏感轴叫做输入轴IA，当陀螺仪绕该轴旋转时，将引起最大输出电压量；输入轴失准角δ就是输入轴IA与输入基准轴IR之间的夹角。通常陀螺仪的轴规定为OZ轴与输入基准轴IR重合，OX与OY在陀螺仪安装平面内相互垂直，且三个轴的正方向满足OX×OY＝IA的规定。虽然目前对惯性器件(特别是陀螺)的测试方法，因所具备的测试条件不同而各异，但是，为了规范测试标准，业内人士通常参照IEEE陀螺的测试规范。在这些测试规范中，标度因数测试值由速率实验求得，此时，陀螺输入基准轴IR(与OZ轴重合)向上放置，与速率转台转轴(TI轴)平行，如图2所示；而求取陀螺输入轴失准角测试值时，陀螺输入轴(依然与OZ轴重合)水平放置，而与速率转台转轴(TI轴)垂直，如图3(TI轴)所示。由陀螺所涉及的力学和运动学原理可知，在如上所述的测试方法中，标度因数和输入轴失准角的数据处理模型分别为(以单自由度陀螺为例)V＝V0+K·ω·cosδ (1)V′＝K·ω′·sinδT(2)式中V一测试标度因数时陀螺输出轴的输出电压值，单位为V；V′一测试输入轴失准角时陀螺输出轴的输出电压值，单位为V；V0一陀螺输出轴的常值漂移，单位为V；K一陀螺输出轴的标度因数，单位为V/(°/S)；ω一测试标度因数时转台输入角速度；ω′一测试输入轴失准角时转台输入角速度；δ一陀螺输入轴失准角；δT一陀螺输入轴失准角在当前测试平面内的投影，其中T＝x或y；由此可见，陀螺标度因数和陀螺输入轴失准角这两个参数是互相耦合的，称K·cosδK·sinδ]]>为耦合系数，此系数为一个二维列向量，利用以上实验方法中得到的实验数据，无法在数据处理中将标度因数和输入轴失准角分离。考虑到传统的陀螺仪制作精密，价格昂贵，精度很高，失准角δ很小，上述测试标准中近似取cosδ≈1，sinδT≈δT(3)对传统陀螺仪，引进的近似误差不大，牺牲的导航精度较小，式(1)、(2)可简化为V＝V0+K·ω (4)V′＝K·ω′·δT(5)实践证明，上述测试方法，虽然带来了近似误差，但是在精度较高的惯性导航系统中，误差值较小，在一定的应用环境和要求下，基本可以满足要求。但是，20世纪80年代以来，许多微小型、低成本、低精度惯性测量器件流行起来，尤其是随着光电子技术和微米/纳米技术的成功应用，MEMS技术、光电子技术与惯性技术结合，带来了惯性技术的一次巨大变革，一时间，光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪受到了极大的重视，它们体积小、重量轻、成本低、结构简单、应用方便，具有极大的应用前途。但是，他们的输入轴失准角都比较大，例如MEMS陀螺仪一般都是贴片封装，应用时需要焊接到电路板上，配合其他电子元器件如电阻、电容等才能使用，电路板的安装精度远远低于传统陀螺仪的安装精度，特别是，在手工焊接过程中，会对器件敏感轴的平行度和垂直度造成很大的误差，有的甚至达到5°以上，因此MEMS陀螺仪的输入轴失准角很大。目前，对于微小型、低成本、低精度陀螺仪的测试，报道比较少，还没有一个统一和规范的测试方法，基本上还是参考应用了传统陀螺仪的测试标准，式(3)产生了不容忽视近的似误差值，对于提高陀螺仪的精度、后续的捷联解算和组合导航都会带来极大的误差，所以，根据式(4)和式(5)表示的数据处理模型来测试陀螺仪，就显得很不科学了，它存在以下缺点1、传统陀螺仪的测试标准标定出的陀螺仪标度因数K不准确，测试出的陀螺仪的K实际上是K·cosδ，尤其是对于低精度的光纤陀螺仪、石英陀螺仪、微硅MEMS陀螺仪等，δ一般为几度，甚至十几度，cosδ带来的误差很大；2、传统陀螺仪的测试标准标定出的陀螺仪输入轴失准角的值δ不准确，δ在当前测试平面内的投影δT的计算涉及到K的值，而缺点1表明K值不准确，所以，δT的计算值也不准确；同时δT值的计算涉及到sinδT≈δT，会带来近似误差，特别是对于低精度的光纤陀螺仪、石英陀螺仪、微硅MEMS陀螺仪等，一般失准角δ很大，产生的误差同样会很大；3、传统陀螺仪的测试标准中，需要分两步分别标定K值和δ值，陀螺仪标定过程一般比较长，K值与δ值的测试在不同时间下进行，其测试环境如温度、湿度、气压等的差异，也会影响实验结果。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服传统方法测试陀螺仪标度因数和输入轴失准角的缺点，提供，实现两个参数的分离，并保证测试值的正确和精确，减少参数误差对导航精度的影响。本专利技术的技术解决方案为，其特点在于(1)安装陀螺仪，使陀螺仪安装基准面与转台呈初始倾斜角θi，并使陀螺仪能相对于转台转轴依次以不同角度θi固定在转台上时，保持OY轴与转台面平行，此状态为安装状态一；(2)在所述的步骤(1)的初始θi角下，确定输入角速率，依次测试并记录转台转动前静止时、转台正转时、停转静止时、转台反转时、停转静止时陀螺仪输出的平均值；(3)改变所述的步骤(1)的陀螺仪倾斜角θi值，重复上述步骤(2)的实验；(4)依次分别改变陀螺仪的安装状态为状态二，即将陀螺仪在其安装平面内顺时针旋转180°、状态三，即再顺时针旋转90°和状态四，即再顺时针旋转180°后，重复上述步骤(1)-(3)的实验；(5)对上述测得的数据处理，求出陀螺仪标度因数和输入轴失准角的值。上述步骤(5)中的数据处理所利用的参数模型，不含小角度近似误差，联合处理四个状态的数据，消除夹具误差，具体数据处理步骤如下所说的数据处理包括以下方法和步骤(1)收集上述四个安装状态下，每个陀螺仪倾斜角和输入角速度对应的输出数据；(2)在每个输入角速率激励下，用转台转动时采集到的陀螺仪输出数据平均值，减去角速度输入前、后转台静止时的输出数据平均值，作为应用参数模型计算时陀螺仪的计算用输出值；(3)根据建立陀螺仪输入输出关系模型，采用最小二乘法拟合出在各个倾斜角时，输出电压与输入角速率之间的斜率表示；(4)建立关于各个陀螺仪倾斜角、耦合系数、斜率表示三者之间的线性矩阵模型，拟合出在整个实验中的耦合系数值；(5)解耦计算，分离出标度因数和输入轴失准角；(6)联合四个状态的计算结果，消除夹具误差，计算出实际的参数值。本专利技术的原理是陀螺仪标度因数K和输入轴失准角δ之间关系式的严格满足式(1)，由此可知标度因数K和输入轴失准角δ相互耦合，由式(1)变换本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种陀螺仪标度因数和输入轴失准角的精确解耦测试方法，其特征在于：（１）安装陀螺仪，使陀螺仪安装基准面与转台呈初始倾斜角θ↓［ｉ］，并使陀螺仪能相对于转台转轴依次以不同角度θ↓［ｉ］固定在转台上时，保持ＯＹ轴与转台面平行，此状态为安装 状态一；（２）在所述的步骤（１）的初始θ↓［ｉ］角下，确定输入角速率，依次测试并记录转台转动前静止时、转台正转时、停转静止时、转台反转时、停转静止时陀螺仪输出的平均值；（３）改变所述的步骤（１）的陀螺仪倾斜角θ↓［ｉ］值，重 复上述步骤（２）的实验；（４）依次分别改变陀螺仪的安装状态为状态二，即将陀螺仪在其安装平面内顺时针旋转１８０°、状态三，即再顺时针旋转９０°和状态四，即再顺时针旋转１８０°后，重复上述步骤（１）－（３）的实验；（５）对上述测 得的数据处理，求出陀螺仪标度因数和输入轴失准角的值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，张海鹏，盛蔚，刘百奇，全伟，曹娟娟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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