一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法，该方法大大提升了惯组转动过程中载体姿态计算精度，该方法的主要实现步骤是：首先，利用双位置对准消除陀螺仪和加速度计零偏误差对对准结果的影响；其次，姿态跟踪模式可以避免速度误差和位置误差对姿态测量的影响；在驱动转位机构逆时针转动180

【技术实现步骤摘要】
一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法


[0001]本专利技术属于捷联惯导
，尤其涉及一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法。

技术介绍

[0002]某型号捷联惯组(以下简称惯组)由双轴速率转位机构+IMU构成，其具体结构包括：三块120型光纤陀螺仪、三块石英挠性加速度计、双轴速率转位机构、电子线路及软件等组成。
[0003]该惯组可用于为定位定向系统实时提供载车的姿态信息、速度信息和位置信息，具有惯性测量、自对准、自标定、自检测、旋转调制、航向角隔离等功能。惯组自对准采用双位置对准技术，在对准后进入航向角隔离的旋转调制导航模式，要求光纤惯组能够为载车提供高精度姿态信息、速度信息和位置信息。
[0004]在调制导航过程中，由于转位机构带动IMU(惯性测量单元)循环翻转，考虑到转位机构在加工和安装时与IMU坐标系相应轴不完全平行，存在转轴偏角，同时转位机构与IMU存在时间不同步误差，从而大大影响了惯组转动过程中载体姿态计算的精度。

技术实现思路

[0005]针对旋转捷联惯组中转位机构带动IMU循环翻转时存在转轴偏角，以及转位机构与IMU存在时间不同步误差，导致惯组转动过程中载体姿态计算精度差的问题，本专利技术提供了一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法。
[0006]本专利技术的基本实现原理是：
[0007]采用双位置对准和姿态跟踪模式的姿态测量方法：
[0008]首先，利用双位置对准消除陀螺仪和加速度计零偏误差对对准结果的影响；
[0009]其次，姿态跟踪模式可以避免速度误差和位置误差对姿态测量的影响；
[0010]在驱动转位机构逆时针转动180
°
过程中利用姿态四元数误差模型对转轴偏角和不同步误差进行估计；将转位机构和IMU之间的误差标定出来之后，将该标定结果代入姿态转换公式，由IMU姿态信息转换为载体的姿态信息完成转位机构指定转轴的偏角，以及转位机构与IMU之间的时间不同步误差的补偿。
[0011]本专利技术的具体技术方案如下：
[0012]一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：将惯组静置于水平的台面上，接通电源，记录此时转位机构中各转轴电机位置均为0
°
；
[0014]步骤2：双位置对准
[0015]步骤2.1：第一位置对准；
[0016]控制转位机构指定转轴的电机逆时针转动到180
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准，IMU在180
°
位置静止，持续时间为t1，记第一位置惯组对准姿态角为φ1；
[0017]步骤2.2：第二位置对准；
[0018]控制转位机构指定转轴的电机顺时针转动到0
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准，IMU在0
°
位置静止，持续时间为t2＝t1，记第二位置惯组对准姿态角为φ2，在本次惯组转动过程及稳定过程中始终对第一位置惯组对准姿态角φ1进行姿态跟踪，获得更新后的对准姿态角φ1'；
[0019]步骤3：将对准姿态角φ1'和φ2分别转换为姿态矩阵和将两个矩阵求均值得到最终姿态矩阵由该矩阵得到对应姿态角φ和姿态四元数
[0020]步骤4：惯组进入姿态跟踪模式，获得转位机构的转轴偏角和转位机构与IMU存在的不同步误差；所述姿态跟踪模式即在捷联惯组导航递推过程中仅进行姿态更新，不进行速度和位置更新；
[0021]步骤4.1：控制转位机构指定转轴的电机逆时针转动到180
°
位置，记录转动过程中等角度间隔的N组数据，该N组数据为转位机构在每个角度时对应的姿态四元数i取值1，2，3，
…
，N；；
[0022]步骤42：将步骤4.1获得的N组数据以及步骤3获得的姿态四元数代入姿态四元数误差模型方程，求解出转位机构指定转轴的电机的转轴偏角，以及转位机构与IMU之间的时间不同步误差，并作为标定结果；
[0023]步骤5：根据步骤4.2的标定结果，利用姿态转换公式将IMU的姿态四元数转换为惯组的姿态四元数，从而完成转位机构指定转轴的偏角和转位机构与IMU之间的时间不同步误差的补偿。
[0024]进一步地，上述步骤4.3中的具体计算公式为：
[0025][0026]其中，u为转位机构指定转轴的转轴偏角；α为转位机构与IMU之间的时间不同步误差；θ1和θ2为IMU采样时刻前后相邻的两次转位机构角度采样值，τ为采样间隔。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]通过指定的流程和算法对转位机构指定轴的偏角和转位机构与IMU之间的时间不同步误差进行标定和补偿，能够提高在转位机构转动时惯组姿态信息的计算精度，且在导航递推过程中不进行速度更新和位置更新，避免加速度计误差对标定结果产生影响。
附图说明
[0029]图1是相关坐标系示意图；
[0030]图2是标定工作流程图。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术公开的实施方式作进一步详细描述。
[0032]在实际过程中，双轴转位机构中具有内轴和外轴，三轴转位机构中具有内轴、中轴以及外轴，通过调整惯组状态将转位机构指定转轴近似指向天向，就可以通过本专利技术的方法可以获取转位机构中任意指定转轴的转动偏角，以及转位机构与IMU存在的时间不同步误差。
[0033]如图1所示，将IMU坐标系记为载体坐标系s(载体坐标系s中三个坐标轴分别记为(Xs，Ys，Zs))，取转位机构在0
°
位置时的IMU坐标系作为载体坐标系s0(载体坐标系s0中三个坐标轴分别记为(Xs0、Ys0，Zs0))，在本实施例中，该惯组需要标定得到转位机构中指定转轴(与Zs0轴近似重合)的转动偏角，以及转位机构与IMU之间的时间不同步误差，已知IMU采样滞后时间在0～10ms之间，采样间隔为τ＝10ms，在标定过程中，除待标定转轴外，其余转轴均处于0
°
位置。具体的标定补偿方法如图2所示：
[0034]S1：将惯组静置在台面上，将转位机构指定转轴朝上，接通电源，此时转位机构中各转轴的电机位均在0
°
位置；
[0035]S2：控制转位机构指定转轴的电机逆时针转动到180
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准流程，IMU在180
°
位置静止时间为t1＝140s，，记第一位置惯组对准姿态角为φ1；
[0036]S3：控制转位机构指定转轴的电机顺时针转动到0
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准，IMU在0
°
位置静止，持续时间为t2＝t1，记第二位置惯组对准姿态角为φ2，在本次惯组转动过程及稳定过程中始终对第一位置惯组对准姿态角φ1进行姿态跟踪，获得更新后的对准姿态角φ1'；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转捷联惯组的转位机构和IMU同步标定及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将惯组静置于水平的台面上，接通电源，记录此时转位机构中各转轴电机位置均为0
°
；步骤2：双位置对准步骤2.1：第一位置对准；控制转位机构指定转轴的电机逆时针转动到180
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准，IMU在180
°
位置静止，持续时间为t1，记第一位置惯组对准姿态角为φ1；步骤2.2：第二位置对准；控制转位机构指定转轴的电机顺时针转动到0
°
位置，待转位机构稳定后，开始对准，IMU在0
°
位置静止，持续时间为t2＝t1，记第二位置惯组对准姿态角为φ2，在本次惯组转动过程及稳定过程中始终对第一位置惯组对准姿态角φ1进行姿态跟踪，获得更新后的对准姿态角φ1'；步骤3：将对准姿态角φ1'和φ2分别转换为姿态矩阵和将两个矩阵求均值得到最终姿态矩阵由该矩阵得到对应姿态角φ和姿态四元数步骤4：惯组进入姿态跟踪模式，获得转位机构的转轴偏角和转位机构与I...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢波，徐兵华，贺继超，江一夫，
申请(专利权)人：西安航天精密机电研究所，
类型：发明
国别省市：