CN102636183B - 基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法，属于惯性技术领域。所述的测试方法首先将光纤陀螺和挠性陀螺安装在带双轴转台的离心机上，挠性陀螺与光纤陀螺加电，预热稳定后，采集静态输出数据；使离心机和双轴随动转台中的外旋转台以及内旋转台同步旋转，转速稳定后，采集过载输出数据；最后计算二次过载项系数。本发明的优点在于可以标定挠性陀螺静态漂移模型中包含的比力敏感误差二次项与环境过载加速度之间的关系，可以建立比力敏感误差项的二次多项式模型，为计算并确认挠性陀螺非线性误差对系统误差影响大小提供测试方案。

Description

基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法

技术领域

本发明属于惯性技术领域，具体涉及一种基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法。

背景技术

挠性陀螺是一种机械式双自由度陀螺仪，它的驱动电机的电机转轴通过挠性接头带动转子作高速转动，如图1所示，所述的挠性接头包含两对相互正交的挠性连接轴和一个平衡环。自问世以来，挠性陀螺已广泛应用在各种导航、制导与控制系统中。

在实际应用中，挠性陀螺仪的角速度测量值中存在着由于各种内部及外部因素产生的漂移误差，一般由静态漂移误差、动态漂移误差和随机漂移误差等组成，其中由线运动引起的静态漂移误差是挠性陀螺漂移误差的主要部分，也是挠性捷联惯导系统误差的主要因素。挠性陀螺静态漂移误差数学模型中包含了对比力不敏感的漂移误差项和对比力敏感的漂移误差项。

一般地，挠性陀螺仪的静态误差模型可表示为：

${\mathrm{\ω}}_d=K_d$

$+K_x{a}_x+K_y{a}_y+K_z{a}_z$

$+K_{\mathrm{xy}}{a}_x{a}_y+K_{\mathrm{yz}}{a}_y{a}_z+K_{\mathrm{xz}}{a}_x{a}_z$

$+K_{\mathrm{xx}}{a}_x^2+K_{\mathrm{yy}}{a}_y^2+K_{\mathrm{zz}}{a}_z^2$

其中，ω_d——陀螺仪的漂移速率误差，单位：°/h；

K_d——常值漂移系数，与比力无关，单位：°/h；

K_x，K_y，K_z——比力敏感项系数，单位：(°/h)/g；

K_xx，K_yy，K_zz——比力平方敏感项系数，单位：(°/h)/g²；

K_xy，K_yz，K_xz——比力乘积敏感项系数，单位：(°/h)/g²；

a_x，a_y，a_z——沿陀螺仪相应轴的比力，单位：g；

现有的挠性陀螺或挠性惯组标定采用的是静态多位置标定方法，利用转台使挠性陀螺朝向一定的方向，将当地的地球转动角速度ω_e和重力加速度g₀作为标准输入，通过多个方程联合求解的方法计算出挠性陀螺的误差项系数。静态多位置标定方法能够得到0～1g环境下挠性陀螺的常值漂移系数和比力敏感项系数并认为在高过载环境下该系数仍保持不变。然而，当挠性陀螺或挠性惯组应用于导弹等大过载环境时，根据地面多位置静态标定结果进行补偿后，其导航精度常常与理论计算值差异甚远。相关技术人员进行详细分析后认为，造成该现象的原因可能是挠性陀螺比力敏感项系数在大过载环境下发生了变化。

如果能够通过地面的大过载测试准确得到双自由度挠性陀螺的比力敏感项系数(包括一次项系数和二次项系数)与环境过载的对应关系，就能在实际使用时准确补偿挠性陀螺的比力敏感误差，从而提高挠性捷联惯导系统的实际导航性能，具有非常重要的军事意义和实用价值。

授权公告号CN 101377422 B的发明专利公开了一种挠性陀螺仪静态漂移误差模型最优二十四位置标定方法，是将挠性陀螺仪安装在三轴位置速率转台上，采用离散D-最优设计构造方法进行设计，从整个试验空间中选取二十四个空间位置取向作为陀螺坐标系取向并进行试验。相对于最优八位置法，最优二十四位置试验测试除了能够标定加速度无关项、加速度一次方有关项外，还可以得到加速度二次有关项漂移系数。

所述的最优二十四位置标定方法实质上与传统静态多位置测试方法相同，只能利用重力场作为环境过载激励，虽然效果好于八位置，但是得到的结果只能表示在1g环境下，不能得到超过1g的大过载环境下标定系数的准确值。不超过1g的环境下，加速度二次有关项实际上与器件噪声难以有效区分，因而结果的可信度不高。

发明内容

本发明的目的是在光纤陀螺监测模式下，利用带双轴转台的离心机模拟大过载环境，测试得到挠性陀螺比力敏感误差二次项系数与环境过载加速度的关系，为挠性陀螺过载项非线性误差测试及建模提供测试手段。

本发明通过光纤监测+带双轴转台离心机实验为挠性陀螺提供双自由度过载输入；采用傅里叶级数分解的方法得到挠性陀螺的比力敏感误差二次项系数，具体测试方法的步骤如下：

第一步：将光纤陀螺和挠性陀螺安装在离心机上：

所述的离心机带双轴随动转台，所述的双轴随动转台包括安装在离心机旋转台面上的内旋转台和外旋转台，所述的外旋转台的旋转轴与离心机的转轴平行，内旋转台固联在外旋转台上，内旋转台的旋转轴与外旋转台旋转轴垂直，挠性陀螺和光纤陀螺固定安装在内旋转台上；测试试验前，调整外旋转台的台面和离心机旋转台面与水平面平行，然后将挠性陀螺和单轴光纤陀螺安装在内旋转台的台面上；安装时使挠性陀螺的敏感轴Y轴与内旋转台的旋转轴平行，挠性陀螺的敏感轴X轴与外旋转台的旋转轴垂直，光纤陀螺的敏感轴与挠性陀螺的X轴平行；挠性陀螺的供电及信号通过双轴随动转台和离心机的滑环连接到供电电源和数据采集计算机；

第二步：通过控制界面将离心机和双轴随动转台分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺的敏感轴X指向当地的地理北向，Y轴水平，自转参考轴Z向上。此时，光纤陀螺敏感轴与挠性陀螺X轴都指向当地地理北向。挠性陀螺与光纤陀螺4加电，预热稳定10min；

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺和光纤陀螺的静态输出数据；

第四步：使离心机以角速度ω_t＝5ω₀旋转，双轴随动转台中的外旋转台以角速度-ω_t、内旋转台以角速度ω₀同步旋转。假设由启动过程引起的同步误差很小，忽略不计。挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0={\left(\frac{{5\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是挠性陀螺自转参考轴到离心机转动轴的距离，g₀是当地标准重力加速度；

第五步：离心机和双轴随动转台转速稳定后，采集挠性陀螺X轴和Y轴的过载输出数据；

第六步：重复第四步和第五步，设定不同的内旋转台的角速度ω₀＝ω_i，i＝1，2，3，……n，获得不同环境过载加速度a_i下的挠性陀螺、光纤陀螺的过载输出数据；

第七步：测试完成后，离心机与双轴随动转台关机，停止数据采集，系统断电；

第八步：计算二次过载项系数。

本发明的优点在于：

本发明可以标定挠性陀螺静态漂移模型中包含的比力敏感误差二次项与环境过载加速度之间的关系，可以建立比力敏感误差项的二次多项式模型，为计算并确认挠性陀螺非线性误差对系统误差影响大小提供测试方案。

附图说明

图1为现有技术中的挠性陀螺机械转子与挠性接头结构示意图；

图2为本发明中使用的带双轴随动转台的离心机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法进行详细说明。

本发明提供一种基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法，具体测试方法的步骤如下：

第一步：光纤陀螺和挠性陀螺的安装。

本试验采用的主要设备是带双轴随动转台的离心机。如图2所示，所述的双轴随动转台包括安装在离心机旋转台面1上的内旋转台2和外旋转台3，所述的外旋转台3的旋转轴与离心机7的转轴平行，内旋转台2固联在外旋转台3上，内旋转台2的旋转轴与外旋转台3旋转轴垂直，挠性陀螺5和光纤陀螺4通过工装6固定安装在内旋转台2上。测试试验前，采用水平校准仪器分别调整外旋转台3的台面和离心机旋转台面1与水平面平行，然后将挠性陀螺5和单轴光纤陀螺4通过工装6安装在内旋转台2的台面上。安装时使挠性陀螺5的敏感轴Y轴与内旋转台2的旋转轴平行，挠性陀螺5的敏感轴X轴与外旋转台3的旋转轴垂直，光纤陀螺4的敏感轴与挠性陀螺5的X轴平行。挠性陀螺5的供电及信号通过双轴随动转台和离心机的滑环连接到供电电源和数据采集计算机。

第二步：通过控制界面将离心机7和双轴随动转台分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺5的敏感轴X指向当地的地理北向，Y轴水平，自转参考轴Z向上。此时，光纤陀螺敏感轴与挠性陀螺X轴都指向当地地理北向。挠性陀螺5与光纤陀螺4加电，预热稳定10min；

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺5和光纤陀螺4的静态输出数据，采集时间不小于5min；

第四步：使离心机7以角速度ω_t＝5ω₀(单位：°/s)旋转，双轴随动转台中的外旋转台3以角速度-ω_t(单位：°/s)、内旋转台2以角速度ω₀同步旋转。假设由启动过程引起的同步误差很小，忽略不计。挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0={\left(\frac{{5\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是挠性陀螺自转参考轴(Z轴)到离心机转动轴的距离，单位：m；g₀是当地标准重力加速度，单位m/s²；

第五步：离心机7和双轴随动转台转速稳定后，采集挠性陀螺X轴和Y轴的过载输出数据15min；

第六步：重复第四步和第五步，设定不同的内旋转台2的角速度ω₀＝ω_i，i＝1，2，3，……n，获得不同环境过载加速度a_i下的挠性陀螺、光纤陀螺的过载输出数据，i＝1，2，3，……n；

第七步：测试完成后，离心机7与双轴随动转台关机，停止数据采集，系统断电；

第八步：计算二次过载项系数：

(1)对采集到的初始静态下挠性陀螺X轴和光纤陀螺的静态输出数据求取平均值；

(2)对采集到的不同环境过载加速度下挠性陀螺X轴和光纤陀螺的输出数据分别减去对应轴的初始静态输出数据的平均值；

(3)依据下式计算挠性陀螺X轴输出残差，其中挠性陀螺、光纤陀螺的标度因数已经通过标定测试得到：

(4)对挠性陀螺残差在不同过载加速度a_i的数据D_ij(X)，截取整周期数据，周期截取的数据个数N_i满足，其中t为采样周期，m取整数600，为过载加速度a_i下的数据采集时间，i＝1，2，3，…n；j＝1，2…。

(5)对截取的各过载加速度段挠性陀螺X轴残差数据进行傅里叶级数运算，分别得到傅里叶级数p次正弦谐波系数A_pxi和p次余弦谐波系数B_pxi(p＝1，2，3，…12)；

$A_{\mathrm{pxi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\sin (\mathrm{j\πp}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,$ $B_{\mathrm{pxi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\cos (\mathrm{j\πp}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$

(6)求取不同过载加速度下挠性陀螺二次过载项系数：

$K_{\mathrm{xxi}}=2(B_{8\mathrm{xi}}+B_{10\mathrm{xi}}+B_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{xyi}}=-2(A_{9\mathrm{xi}}+A_{11\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{xzi}}=-4(A_{8\mathrm{xi}}+A_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{yzi}}=2(B_{9\mathrm{xi}}+B_{11\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{zzi}}=-2(B_{8\mathrm{xi}}-B_{10\mathrm{xi}}+B_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

对K_xxi，K_xyi，K_xzi，K_yzi，K_zzi(i＝1，2，3，…n)与相应地环境过载加速度a_i进行列表，在应用时，通过查表即可得到挠性陀螺比力敏感二次过载项系数在不同环境过载加速度下的数值。

通过上述测试方法，可以得到挠性陀螺超过1g的大过载环境下标定系数的准确值，根据标定的挠性陀螺静态漂移模型中包含的比力敏感误差二次项与环境过载加速度之间的关系，可以建立比力敏感误差项的二次多项式模型，为计算并确认挠性陀螺非线性误差对系统误差影响大小提供测试方案。

Claims (2)

1.基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法，其特征在于：

第一步：将光纤陀螺和挠性陀螺安装在离心机上：

所述的离心机带双轴随动转台，所述的双轴随动转台包括安装在离心机旋转台面上的内旋转台和外旋转台，所述的外旋转台的旋转轴与离心机的转轴平行，内旋转台固联在外旋转台上，内旋转台的旋转轴与外旋转台旋转轴垂直，挠性陀螺和光纤陀螺固定安装在内旋转台上；测试试验前，调整外旋转台的台面和离心机旋转台面与水平面平行，然后将挠性陀螺和单轴光纤陀螺安装在内旋转台的台面上；安装时使挠性陀螺的敏感轴Y轴与内旋转台的旋转轴平行，挠性陀螺的敏感轴X轴与外旋转台的旋转轴垂直，光纤陀螺的敏感轴与挠性陀螺的X轴平行；挠性陀螺的供电及信号通过双轴随动转台和离心机的滑环连接到供电电源和数据采集计算机；

第二步：通过控制界面将离心机和双轴随动转台分别控制在其零位位置并保持静止，此时挠性陀螺的敏感轴X指向当地的地理北向，Y轴水平，自转参考轴Z向上，光纤陀螺敏感轴与挠性陀螺X轴都指向当地地理北向，挠性陀螺与光纤陀螺加电，预热稳定；

第三步：打开数据采集计算机中的采集软件开始采集挠性陀螺和光纤陀螺的静态输出数据；

第四步：使离心机以角速度ω_t＝5ω₀旋转，双轴随动转台中的外旋转台以角速度-ω_t、内旋转台以角速度ω₀同步旋转，挠性陀螺敏感轴感受到的环境过载加速度幅值为：

$a_0{\left(\frac{5{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\π}}{180}\right)}^2\·R/g_0$

其中，R是挠性陀螺自转参考轴到离心机转动轴的距离，g₀是当地标准重力加速度；

第五步：离心机和双轴随动转台转速稳定后，采集挠性陀螺X轴和Y轴的过载输出数据；

第六步：重复第四步和第五步，设定不同的内旋转台的角速度ω₀＝ω_i，i=1,2,3,……n，获得不同环境过载加速度a_i下的挠性陀螺、光纤陀螺的过载输出数据；

第七步：测试完成后，离心机与双轴随动转台关机，停止数据采集，系统断电；

第八步：计算二次过载项系数。

2.根据权利要求1所述的基于光纤监测和双轴转台离心机的挠性陀螺二次过载项测试方法，其特征在于：第八步中所述的二次过载项系数，具体为：

(1)对采集到的初始静态下挠性陀螺X轴和光纤陀螺的静态输出数据求取平均值；

(2)对采集到的不同环境过载加速度下挠性陀螺X轴和光纤陀螺的输出数据分别减去对应轴的初始静态输出数据的平均值；

(3)依据下式计算挠性陀螺X轴输出残差，其中挠性陀螺、光纤陀螺的标度因数已经通过标定测试得到：

(4)对挠性陀螺残差在不同过载加速度a_i的数据D_ij(X)，截取整周期数据，周期截取的数据个数N_i满足其中t为采样周期，m取整数600，为过载加速度a_i下的数据采集时间，i＝1,2,3,…n；j=1,2…；

(5)对截取的各过载加速度段挠性陀螺X轴残差数据进行傅里叶级数运算，分别得到傅里叶级数p次正弦谐波系数A_pxi和p次余弦谐波系数B_pxi：

$A_{\mathrm{pxi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\sin (\mathrm{j\πp}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i,B_{\mathrm{pxi}}=2\left(\underset{j=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(X\right)\cos (\mathrm{j\πp}{\mathrm{\ω}}_{i}t/180)\right)/N_i$

其中，p=1,2,3,…12；

(6)求取不同过载加速度下挠性陀螺二次过载项系数：

$K_{\mathrm{xxi}}=2(B_{8\mathrm{xi}}+B_{10\mathrm{xi}}+B_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{xyi}}=-2(A_{9\mathrm{xi}}+A_{11\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{xzi}}=-4(A_{8\mathrm{xi}}+A_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{yzi}}=2(B_{9\mathrm{xi}}+B_{11\mathrm{xi}})/a_i^2$

$K_{\mathrm{zzi}}=-2(B_{8\mathrm{xi}}-B_{10\mathrm{xi}}+B_{12\mathrm{xi}})/a_i^2$

根据上述K_xxi,K_xyi,K_xzi,K_yzi,K_zzi与相应地环境过载加速度a_i的对应关系，得到挠性陀螺比力敏感二次过载项系数在不同环境过载加速度下的数值。