CN115790590B - 可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯导及直角棱镜系统及其校准方法，具体涉及一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统及其调整方法，用于解决传统的直角棱镜系统固连在惯导的结构台体上，随着工作时间增长，直角棱镜系统的安装误差随之增大，引起向外传递的光学基准误差变大，并且该误差只能在实验室进行精密机械调整的不足之处，该可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统通过横滚舵机、航向舵机、支架将直角棱镜与惯导连接，并通过信息处理电路进行控制。本发明能够实时灵活调整直角棱镜航向角和横滚角，出厂后无需返厂调整安装误差。

Description

可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统及其调整方法

技术领域

本发明涉及惯导及直角棱镜系统及其校准方法，具体涉及一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统及其调整方法。

背景技术

惯性导航系统(惯导)是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还包括水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

直角棱镜系统是惯导定向基准传递的重要组成部分，其可以将惯导的定向信息直接上传。传统的直角棱镜系统固连在惯导的结构台体上，随着工作时间增长，直角棱镜系统的安装误差会越来越大，引起向外传递的光学基准误差变大，该误差只能在实验室进行精密机械调整，大大降低了维护性。

发明内容

本发明的目的是解决传统的直角棱镜系统固连在惯导的结构台体上，随着工作时间增长，直角棱镜系统的安装误差随之增大，引起向外传递的光学基准误差变大，并且该误差只能在实验室进行精密机械调整的不足之处，而提供一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统及其调整方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，其特殊之处在于：包括惯导、直角棱镜、横滚舵机、航向舵机、支架、信息处理电路；

所述惯导包括正交安装的X方向加速度计、Y方向加速度计、Z方向加速度计；

定义加速度计坐标系，X轴为X方向加速度计的敏感轴，Y轴为Y方向加速度计的敏感轴，Z轴符合空间坐标系右手法则；

所述直角棱镜用于将惯导计算得到的航向角、俯仰角、横滚角传递出去；直角棱镜包括与XY面夹角均为45°的第一镜面、第二镜面，第一镜面的侧边与第二镜面的侧边相连，第一镜面、第二镜面之间夹角为90°；

所述支架为平行XZ面设置的平行四边形，其包括两个相互平行的第一支臂、两个相互平行的第二支臂；一个第一支臂通过所述横滚舵机设置于惯导的+Z方向的平行于XY的平面上，另一个第一支臂上设置直角棱镜，所述另一个第一支臂与第一镜面的侧边、第二镜面的侧边相连，横滚舵机用于改变直角棱镜的横滚角；

所述航向舵机设置于一个第二支臂上，用于通过伸缩改变直角棱镜的航向角；

所述信息处理电路与惯导、横滚舵机、航向舵机分别通信连接，用于周期性采集惯导的陀螺和加速度计数据并进行初始对准计算，以及用于采集横滚舵机、航向舵机的AD舵角信号，并发送DA信号分别控制航向舵机和横滚舵机调整角度。

进一步地，所述信息处理电路采用DSP6713处理器，信息处理电路通过RS422与惯导、横滚舵机、航向舵机分别通信连接，信息处理电路以1Hz～10Hz的频率采集惯导的陀螺和加速度计数据并进行初始对准计算。

同时，本发明提供一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，其特殊之处在于，用于上述可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，包括如下步骤：

步骤1、建立惯导在加速度计坐标系下的误差模型，通过对惯导进行系统级标定，得到工具误差补偿参数；根据工具误差补偿参数，通过信息处理电路调用工具误差补偿参数得到加速度计坐标系下的角增量和速度增量；利用角增量和速度增量，对惯导进行初始对准，得到以加速度计坐标系为基准的航向角

俯仰角γ₀、横滚角β₀；

步骤2、将惯导按照X轴朝下放置，使用调平好的光电自准直仪，瞄准直角棱镜，得到反射像；通过信息处理电路发送指令控制横滚舵机、航向舵机，使直角棱镜与光电自准直仪光学对正；

步骤3、将惯导按照Y轴朝下放置，以X-Z-Y为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为3～5min，计算得到航向角

俯仰角γ、横滚角β；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β>0，通过信息处理电路发送指令控制横滚舵机逆时针转动β；若β<0，通过信息处理电路发送指令控制横滚舵机顺时针转动β；直至β＝0，横滚舵机调整结束；

步骤4、将惯导按照Z轴朝上放置，保持直角棱镜、横滚舵机、航向舵机、支架的位置不变，以X-Y-Z为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为3～5min，计算得到航向角

俯仰角γ₁、横滚角β₁；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β₁<0，通过信息处理电路发送指令控制航向舵机收缩β₁；若β₁>0，通过信息处理电路发送指令控制航向舵机伸长β₁；直至β₁＝0，航向舵机调整结束；

步骤5、完成直角棱镜的光轴与加速度计坐标系光学对正。

进一步地，步骤2中，所述通过信息处理电路发送指令控制横滚舵机、航向舵机，使直角棱镜与光电自准直仪光学对正具体为：

若横轴反射像与光电自准直仪横轴分划偏差θ，通过信息处理电路发送指令控制横滚舵机顺时针转动θ，重新瞄准光电自准直仪，得到横轴反射像与光电自准直仪横轴分划偏差θ₁；若θ₁<θ，则调整方向正确，向相同方向继续调整θ₁；若θ₁>θ，则调整方向错误，向相反方向调整θ₁；直至横轴反射像与自准直仪横轴分划完全重合，停止调整；

若纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划偏差λ，通过信息处理电路发送指令控制航向舵机伸长λ，重新瞄准光电自准直仪，得到纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划偏差λ₁；若λ₁<λ，表明调整方向正确，向相同方向继续调整λ₁；若λ₁>λ，则调整方向错误，向相反方向调整λ₁；反复调整直至纵轴反射像与自准直仪纵轴分划完全重合，停止调整。

进一步地，步骤1中，所述初始对准具体为：首先对惯导进行惯性系抗扰动粗对准，然后执行卡尔曼滤波精对准，总对准时间不小于5min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，包括惯导、直角棱镜、横滚舵机、航向舵机、支架、信息处理电路；本发明通过横滚舵机、航向舵机、支架将直角棱镜与惯导连接，并通过信息处理电路进行控制，本发明能够实时灵活调整直角棱镜航向角和横滚角，出厂后无需返厂调整安装误差，解决了高精度惯导与直角棱镜之间的安装误差随时间变大的问题。

(2)本发明一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，能够实现直角棱镜的实时精确调整控制，本发明具有可操作性，提高了直角棱镜系统的实用性、维护性，对高精度惯导的基准传递具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统实施例的结构示意图(未显示信息处理电路)；

图2为本发明实施例中信息处理电路的工作原理图；

图3是本发明一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法实施例步骤2中横轴反射像与光电自准直仪横轴分划的偏差示意图；

图4是本发明实施例步骤2中纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划的偏差示意图。

附图标记说明如下：1-惯导；2-直角棱镜，21-第一镜面，22-第二镜面；3-支架，31-第一支臂，32-第二支臂；4-横滚舵机；5-航向舵机；6-信息处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图1，一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，包括惯导1、直角棱镜2、横滚舵机4、航向舵机5、支架3、信息处理电路6。

定义加速度计坐标系，X轴为X方向加速度计的敏感轴，Y轴为Y方向加速度计的敏感轴，Z轴符合空间坐标系右手法则。

所述直角棱镜2用于将惯导1计算得到的航向角、俯仰角、横滚角传递出去；直角棱镜2包括与XY面夹角均为45°的第一镜面21、第二镜面22，第一镜面21的侧边与第二镜面22的侧边相连，第一镜面21、第二镜面22之间夹角为90°。

所述支架3为平行XZ面设置的平行四边形，其包括两个相互平行的第一支臂31、两个相互平行的第二支臂32；一个第一支臂31通过所述横滚舵机4设置于惯导1的+Z方向的平行于XY的平面上，另一个第一支臂31上设置直角棱镜2，两个第一支臂31平行于XY面，所述另一个第一支臂31与第一镜面21的侧边、第二镜面22的侧边相连，横滚舵机4用于改变直角棱镜2的横滚角。

所述航向舵机5设置于一个第二支臂32上，用于通过伸缩改变直角棱镜2的航向角。

参照图2，所述信息处理电路6与惯导1、横滚舵机4、航向舵机5分别通信连接；信息处理电路6以1Hz～10Hz的频率采集惯导1的陀螺和加速度计数据并进行初始对准计算；信息处理电路6采集横滚舵机4、航向舵机5的AD舵角信号，并通过RS422接收上位机的指令发送DA信号分别控制航向舵机5和横滚舵机4调整角度。

本实施例中，航向舵机5和横滚舵机4的行程<2°，分辨率小于3″；信息处理电路6采用DSP6713处理器，具有双工RS422通信功能。

一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，用于上述可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，包括如下步骤：

步骤1、建立惯导1在加速度计坐标系下的误差模型，通过对惯导1进行系统级标定，得到工具误差补偿参数；根据工具误差补偿参数，通过信息处理电路6调用工具误差补偿参数得到加速度计坐标系下的角增量和速度增量；利用角增量和速度增量，对惯导1首先进行惯性系抗扰动粗对准，然后执行卡尔曼滤波精对准，总对准时间不小于5min；对准结束后，得到以加速度计坐标系为基准的航向角

俯仰角γ₀、横滚角β₀；

步骤2、将惯导1按照X轴朝下放置，使用调平好的光电自准直仪，瞄准直角棱镜2，得到反射像；参照图3，若横轴反射像(虚线)与光电自准直仪横轴分划(实线)偏差θ，通过信息处理电路6发送指令控制横滚舵机4顺时针转动θ，重新瞄准光电自准直仪，得到横轴反射像与光电自准直仪横轴分划偏差θ₁；若θ₁<θ，则调整方向正确，向相同方向继续调整θ₁；若θ₁>θ，则调整方向错误，向相反方向调整θ₁；直至横轴反射像与自准直仪横轴分划完全重合，停止调整；

参照图4，若纵轴反射像(虚线)与光电自准直仪纵轴分划(实线)偏差λ，通过信息处理电路6发送指令控制航向舵机5伸长λ，重新瞄准光电自准直仪，得到纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划偏差λ₁；若λ₁<λ，表明调整方向正确，继续伸长λ₁；若λ₁>λ，则调整方向错误，控制航向舵机5收缩λ₁；反复调整直至纵轴反射像与自准直仪纵轴分划完全重合，停止调整；

经过以上步骤，直角棱镜2通过横滚舵机4和航向舵机5的调整，已经与光电自准直仪光学对正；

步骤3、将惯导1按照Y轴朝下放置，保持步骤2得到的直角棱镜2、横滚舵机4、航向舵机5、支架3的位置不变，以X-Z-Y为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为5min，计算得到航向角

俯仰角γ、横滚角β；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β>0，通过信息处理电路6发送指令控制横滚舵机4逆时针转动β；若β<0，通过信息处理电路6发送指令控制横滚舵机4顺时针转动β；直至β＝0，横滚舵机4调整结束；

步骤4、保持直角棱镜2、横滚舵机4、航向舵机5、支架3的位置不变，将惯导1按照Z轴朝上放置，以X-Y-Z为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为5min，计算得到航向角

俯仰角γ₁、横滚角β₁；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β₁>0，通过信息处理电路6发送指令控制航向舵机5收缩β₁；若β₁<0，通过信息处理电路6发送指令控制航向舵机5伸长β₁；直至β₁＝0，航向舵机5调整结束；

步骤5、经过以上步骤，完成直角棱镜2的光轴与加速度计坐标系光学对正。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，其特征在于：包括惯导(1)、直角棱镜(2)、横滚舵机(4)、航向舵机(5)、支架(3)以及信息处理电路(6)；

所述惯导(1)包括正交安装的X方向加速度计、Y方向加速度计、Z方向加速度计；

定义加速度计坐标系，X轴为X方向加速度计的敏感轴，Y轴为Y方向加速度计的敏感轴，Z轴符合空间坐标系右手法则；

所述直角棱镜(2)用于将惯导(1)计算得到的航向角、俯仰角、横滚角传递出去；直角棱镜(2)包括与XY面夹角均为45°的第一镜面(21)、第二镜面(22)，第一镜面(21)的侧边与第二镜面(22)的侧边相连，第一镜面(21)、第二镜面(22)之间夹角为90°；

所述支架(3)为平行XZ面设置的平行四边形，其包括两个相互平行的第一支臂(31)、两个相互平行的第二支臂(32)；一个第一支臂(31)通过所述横滚舵机(4)设置于惯导(1)的+Z方向的平行于XY的平面上，另一个第一支臂(31)上设置直角棱镜(2)，所述另一个第一支臂(31)与第一镜面(21)的侧边、第二镜面(22)的侧边相连，横滚舵机(4)用于改变直角棱镜(2)的横滚角；

所述航向舵机(5)设置于一个第二支臂(32)上，用于通过伸缩改变直角棱镜(2)的航向角；

所述信息处理电路(6)与惯导(1)、横滚舵机(4)、航向舵机(5)分别通信连接，用于周期性采集惯导(1)的陀螺和加速度计数据并进行初始对准计算，以及用于采集横滚舵机(4)、航向舵机(5)的AD舵角信号，并发送DA信号分别控制航向舵机(5)和横滚舵机(4)调整角度。

2.根据权利要求1所述的一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，其特征在于：所述信息处理电路(6)采用DSP6713处理器，信息处理电路(6)通过RS422与惯导(1)、横滚舵机(4)、航向舵机(5)分别通信连接，信息处理电路(6)以1Hz～10Hz的频率采集惯导(1)的陀螺和加速度计数据并进行初始对准计算。

3.一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，其特征在于，用于权利要求1所述的可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统，包括如下步骤：

步骤1、建立惯导(1)在加速度计坐标系下的误差模型，通过对惯导(1)进行系统级标定，得到工具误差补偿参数；根据工具误差补偿参数，通过信息处理电路(6)调用工具误差补偿参数得到加速度计坐标系下的角增量和速度增量；利用角增量和速度增量，对惯导(1)进行初始对准，得到以加速度计坐标系为基准的航向角

俯仰角γ₀、横滚角β₀；

步骤2、将惯导(1)按照X轴朝下放置，使用调平好的光电自准直仪，瞄准直角棱镜(2)，得到反射像；通过信息处理电路(6)发送指令控制横滚舵机(4)、航向舵机(5)，使直角棱镜(2)与光电自准直仪光学对正；

步骤3、将惯导(1)按照Y轴朝下放置，保持直角棱镜(2)、横滚舵机(4)、航向舵机(5)、支架(3)的位置不变，以X-Z-Y为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为3～5min，计算得到航向角

俯仰角γ、横滚角β；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β>0，通过信息处理电路(6)发送指令控制横滚舵机(4)逆时针转动β；若β<0，通过信息处理电路(6)发送指令控制横滚舵机(4)顺时针转动β；直至β＝0，横滚舵机(4)调整结束；

步骤4、将惯导(1)按照Z轴朝上放置，保持直角棱镜(2)、横滚舵机(4)、航向舵机(5)、支架(3)的位置不变，以X-Y-Z为载体坐标系，首先按照步骤1所述方法进行初始对准，初始对准时间为3～5min，计算得到航向角

俯仰角γ₁、横滚角β₁；所有角度定义符合右手定则，顺时针为负，逆时针为正；若β₁>0，通过信息处理电路(6)发送指令控制航向舵机(5)收缩β₁；若β₁<0，通过信息处理电路(6)发送指令控制航向舵机(5)伸长β₁；直至β₁＝0，航向舵机(5)调整结束；

步骤5、完成直角棱镜(2)的光轴与加速度计坐标系光学对正。

4.根据权利要求3所述的一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，其特征在于，步骤2中，所述通过信息处理电路(6)发送指令控制横滚舵机(4)、航向舵机(5)，使直角棱镜(2)与光电自准直仪光学对正具体为：

若横轴反射像与光电自准直仪横轴分划偏差θ，通过信息处理电路(6)发送指令控制横滚舵机(4)顺时针转动θ，重新瞄准光电自准直仪，得到横轴反射像与光电自准直仪横轴分划偏差θ₁；若θ₁<θ，则调整方向正确，向相同方向继续调整θ₁；若θ₁>θ，则调整方向错误，向相反方向调整θ₁；直至横轴反射像与自准直仪横轴分划完全重合，停止调整；

若纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划偏差λ，通过信息处理电路(6)发送指令控制航向舵机(5)伸长λ，重新瞄准光电自准直仪，得到纵轴反射像与光电自准直仪纵轴分划偏差λ₁；若λ₁<λ，表明调整方向正确，控制航向舵机(5)继续伸长λ₁；若λ₁>λ，则调整方向错误，控制航向舵机(5)收缩λ₁；直至纵轴反射像与自准直仪纵轴分划完全重合，停止调整。

5.根据权利要求3或4所述的一种可动态调整的高精度惯导及直角棱镜系统的调整方法，其特征在于，步骤1中，所述初始对准具体为：首先对惯导(1)进行惯性系抗扰动粗对准，然后执行卡尔曼滤波精对准，总对准时间不小于5min。

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