安裝誤差對旋轉式慣導系統(tǒng)影響范文

本站小編為你精心準備了安裝誤差對旋轉式慣導系統(tǒng)影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《儀器儀表學報》2015年第十二期

摘要:

因軸與軸承間同軸度誤差、軸系間隙、機械加工精度、安裝等因素，旋轉式慣導系統(tǒng)會產(chǎn)生各種形式的安裝誤差。對各種安裝關系進行了說明，詳細推導并分析了系統(tǒng)存在安裝誤差時的輸出特性及誤差調(diào)制效應。在理論分析的基礎上，針對實際旋轉式慣導系統(tǒng)，通過分析主要誤差源，建立合適的誤差補償模型，實現(xiàn)對相關誤差的補償。誤差補償結果表明，該補償方案能同時消除陀螺敏感軸與旋轉軸間的不正交誤差、與比力相關的漂移以及因旋轉而產(chǎn)生的周期性波動誤差，具有很高的工程應用價值。

關鍵詞:

旋轉調(diào)制;誤差分析;安裝誤差;誤差補償

1引言

慣性導航系統(tǒng)以其自主性強、隱蔽性好及抗干擾的優(yōu)點廣泛應用在航空、航天、航海等領域，但慣導系統(tǒng)缺點是導航誤差隨時間積累，其中慣性器件常值誤差是主要誤差源［1］。旋轉調(diào)制是一種自補償方法，它通過對慣性測量單元(inertialmeasurementunit，IMU)進行一定方式的周期性轉動來抵消器件常值誤差對導航精度的影響，從而提高慣導系統(tǒng)長時間導航精度［2-4］。對于旋轉式慣導系統(tǒng)，國外研究較早，技術更成熟，特別是美國研制的MK39mod3C、MK49和AN/WSN-7系列，裝備美國和北約海軍的多艘艦艇，取得很好的效果［2，5-7］。近年來，國內(nèi)旋轉式慣導系統(tǒng)也得到快速發(fā)展，研制出不同性能指標的系統(tǒng)，并針對旋轉方案、初始對準等問題，進行了深入研究［8-12］。孫偉等人［13］僅通過將微機電慣性測量單元(mi-cro-electronicmechanicalsystemIMU，MEMS-IMU)放在轉臺上，對比旋轉前后的導航精度，驗證了MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)的可行性，但對其中的誤差源及誤差調(diào)制效應并未做深入分析。高延濱等人［14］則指出加入旋轉機構后，因IMU坐標系與載體坐標系不重合而存在一定的傾斜角，并通過仿真和實驗進行誤差補償，但其僅將IMU放置在轉臺上，轉臺轉動平穩(wěn)，誤差源單一，實際系統(tǒng)的轉軸波動無法體現(xiàn)出來。以MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)為研究對象，分析各種安裝關系的形成機理，詳細推導并分析了安裝誤差對系統(tǒng)輸出及誤差調(diào)制效應的影響。針對實際的MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的主要誤差源，分別對兩個方向慣性器件建立合適的誤差模型，采用最小二乘法辨識出其中的誤差系數(shù)，實現(xiàn)了相關誤差補償。

2旋轉時安裝關系分析

如圖1所示，單軸旋轉慣導系統(tǒng)包括慣性測量單元、旋轉機構和導航控制系統(tǒng)。IMU安裝在旋轉機構上，旋轉機構安裝在載體上，導航控制系統(tǒng)完成導航解算及控制旋轉機構的轉動，同時將解算出的載體的姿態(tài)、速度和位置信息輸出。如圖1所示，當旋轉機構轉動后，由于軸與軸承間的同軸度誤差、軸系間隙、機械加工精度、安裝等因素的存在，旋轉系的Z軸將繞著機體系Z軸做小幅周期性波動，與捷聯(lián)慣導系統(tǒng)相比，相應的安裝誤差形式也發(fā)生變化。

3誤差調(diào)制效應分析

3．1輸出特性分析由式(6)、(8)可知，在量測輸出中，陀螺除了感測到實際的載體運動外，由于刻度系數(shù)誤差、不同類型安裝誤差的存在，還會感測到這幾類誤差與載體運動和旋轉運動耦合產(chǎn)生的誤差。如果不存在旋轉機構，兩類安裝誤差δG、δC能求和，得出的安裝誤差便和傳統(tǒng)慣導系統(tǒng)定義相一致［15］。而如第2節(jié)分析，由于δC2周期性變化、安裝誤差δG存在和陀螺感測的旋轉角速度周期性變化，使陀螺量測輸出形式變得復雜。對于式(6)的第2項(I+δK+δG)Ω，除了Z軸方向感測到旋轉角速度外，由于刻度系數(shù)δKgz的影響，Z軸方向還會感測額外的等效陀螺漂移δKgzω。對于安裝誤差:1)由于安裝誤差的存在，旋轉運動也會影響到X、Y方向的輸出，若ω為36°/s，θxz=θyz=10'，等效陀螺漂移約為376．8°/h，遠大于陀螺常值漂移，需要加以消除，并且由于ω方向與陀螺敏感軸存在小幅周期性變化，將使得X、Y方向感測到的旋轉角速度分量更加復雜;2)由于載體運動是無規(guī)則的，如式(6)第1項，與幾類誤差項耦合后，將會有復雜的誤差分量存在。

3．2安裝誤差調(diào)制效應分析旋轉調(diào)制最主要的特點便是將與旋轉軸垂直的慣性器件的常值漂移調(diào)制成正余弦函數(shù)形式，使其在一個周期積分為零，從而消除其影響，但同時，對其他誤差項也產(chǎn)生影響。并且由于加入了旋轉機構，相應的安裝誤差特性也發(fā)生新的變化。對于式(8)，乘以旋轉矩陣，可得。

3．3陀螺誤差調(diào)制效應分析式(12)中第2項:當隨機誤差表現(xiàn)為一階馬爾科夫過程時，若相關時間越長，陀螺變化越緩慢，則調(diào)制效果越好;當隨機誤差表現(xiàn)為角速率中的白噪聲，積分成為角度后表現(xiàn)為無規(guī)律的角誤差漂移，因白噪聲毫無規(guī)律的變化，因此不受旋轉調(diào)制作用。綜上所述，對于旋轉式慣導系統(tǒng)，需要盡量減小安裝誤差，同時，由于旋轉機構的引入，會使陀螺感測到的角速度值更加復雜，誤差形式也發(fā)生變化，特別是旋轉軸的周期性波動，會對系統(tǒng)產(chǎn)生新的影響。故對這些影響大的誤差項，需提前將其補償?shù)簟?/p>

4誤差補償

4．1誤差影響分析如2．3節(jié)分析，由于安裝誤差的存在，會影響到陀螺的輸出及誤差調(diào)制效果。由于δG的存在，會使X、Y向輸出產(chǎn)生大的波動，其等效的陀螺漂移雖然可以調(diào)制抵消掉，但幅值很大，故需要提前進行補償。由于軸與軸承間的同軸度誤差、機械加工精度、安裝等因素的存在，使旋轉角速度ω與δG間發(fā)生小幅周期性變化;同時，旋轉系的Z軸將繞著機體系Z軸做小幅度波動，且這一波動是周期性的，即對于δC、δC1是相對固定不變的，而δC2與轉動的角位置有關系，導致慣性組件感測到周期性分量，這兩部分也需要補償。為建立合理的誤差模型，將MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)X、Y陀螺輸出做一定處理后進行頻譜分析，結果如圖2所示。可以看出，對于X方向，其主要頻率與旋轉頻率相同，為0．2Hz;Y方向則含有更多的主頻率分量，為0．1Hz、0．2Hz、0．3Hz。

4．2標定算法旋轉式慣導系統(tǒng)的量測輸出如式(6)所示，由于需得出與旋轉角速度關系緊密的兩誤差θxz、θyz，因此在下面分析時僅列出X、Y方向陀螺輸出與旋轉角速度間的關系。一方面，地球自轉角速度分量與旋轉角速度相比，是一個小量，作為輸入激勵與X、Y間安裝誤差耦合后太小，可忽略;另一方面，本系統(tǒng)刻度系數(shù)標定精度高，可不將刻度系數(shù)誤差列入誤差模型中，故式(6)簡化可得。利用碼盤角度輸出計算電機的旋轉角速率ω(t)，陀螺量測輸出去掉陀螺常值漂移及地球自轉角速度分量，便可得出安裝誤差和旋轉角速度耦合值。可實際上，通過前幾部分分析可知，存在明顯的周期性分量，同時，由于存在重力加速度g0，本系統(tǒng)采用的MEMS陀螺具有較大的比力相關漂移［16］。為了將θxz、θyz、ω的耦合量及上述兩部分周期性誤差分量同時補償?shù)簦Y合主要頻率分量及比力相關漂移，將去掉陀螺常值漂移及地球自轉角速度分量后的陀螺輸出模型改進為如下形式。

4．3誤差標定步驟針對實驗室現(xiàn)有的MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)，如圖3所示，為了得出準確的誤差補償系數(shù)，設定如下標定方案:1)將旋轉式慣導系統(tǒng)固定安裝于調(diào)平的轉臺上，按傳統(tǒng)的標定方法，標定出慣性器件的安裝誤差;2)結束步驟1后，調(diào)整位置使電機旋轉軸指東，避免旋轉軸方向引入地球自轉角速度分量;調(diào)整旋轉角，使得X軸陀螺敏感軸指南，并以此作為碼盤轉角輸出的零位;3)驅動電機以恒定角速率正反旋轉，記錄旋轉過程中陀螺輸出值Nx(t)、Ny(t)及碼盤角度的輸出值θ(t)。

4．4實驗結果及分析將實驗室研制的MEMS旋轉式慣導系統(tǒng)安裝在轉臺上，如圖3所示。3個MEMS陀螺陀螺零偏穩(wěn)定性達到戰(zhàn)術級，為了得到準確的標定系數(shù)，以一定的旋轉角速度進行了5次正反連續(xù)旋轉試驗，標定系數(shù)如表1所示。對比圖4、5可知，補償前，由于陀螺敏感軸與旋轉軸間不正交，X、Y向陀螺均感測到旋轉角速度耦合分量，在旋轉機構正反旋轉時，分別感測到正負分量，同時也可以得出，X、Y向陀螺與旋轉軸間有不同的不正交角，導致兩陀螺感測到不同的耦合分量;補償后，旋轉時陀螺感測到的角速度耦合分量完全消除，對于X陀螺，輸出精度由0．2035°/s提高到0．066°/s，說明補償算法有效。為了更明確地觀察誤差補償效果，特別是對因MEMS陀螺比力相關漂移及旋轉軸周期性轉動產(chǎn)生的波動的補償效果，將陀螺補償前后的角速度輸出值積分，結果如圖6～8所示。對比圖2和6可以知道，X、Y陀螺中原本的主頻率分量已經(jīng)補償?shù)簦f明選擇的主頻率值準確，且補償方法有效。從圖7、8可以看出，無論僅補償θyz角引起的誤差，還是采用本文的補償方法，均可以將旋轉角速度與θyz耦合而引起的角度波動去掉。而從圖8可知，僅補償?shù)粜D角速度與θyz耦合值，還存在因比力相關漂移和旋轉軸周期性轉動產(chǎn)生的波動而引起的角度波動;當采用本文補償方法后，就能將這種波動消除掉，由此減小因周期性波動而引起的角度誤差積累，從而提高導航姿態(tài)精度。從兩種補償方法結果對比可以看出，本文的方法具有更好的補償效果。

5結論

通過研究實際旋轉式慣導系統(tǒng)，在分析安裝誤差形成機理及對輸出和誤差調(diào)制效應影響的基礎上，得出旋轉軸與陀螺敏感軸間不正交誤差、陀螺比力相關漂移及因旋轉機構引入存在的周期性波動誤差對系統(tǒng)影響很大，需提前補償。通過分析兩個陀螺輸出頻譜特性，進而分別建立合適的誤差模型，有效地補償?shù)舨徽徽`差與旋轉角速度耦合分量、比力相關漂移及周期性波動誤差，且不正交誤差標定精度達到3．8×10－4度左右。試驗結果驗證了理論分析的正確性及補償方案的可行性，該補償方案已應用到工程實踐中，取得了很好的效果。

參考文獻

［1］TITTERTONDH，WESTONJ．Strap-downinertialnavi-gationtechnology(2ndedition)［J］．Aerospace＆Elec-tronicSystemsMagazineIEEE，1997，20(7):33-34．

［2］LEVINSONE，MAJURER．Accuracyenhancementtechniquesappliedtothemarineringlaserinertialnavi-gation(MARIN)［C］．Navigation，1987，34(1):64-86．

［3］ISHIBASHIS，TSUKIOKAS，SAWAT，etal．Therota-tioncontrolsystemtoimprovetheaccuracyofaninertialnavigationsysteminstalledinanautonomousunderwatervehicle［C］．IEEESymposiumonUnderwaterTechnologyandWorkshoponScientificUseofSubmarineCablesandRelatedTechnologies，2007:495-498．

［4］于飛，孫騫，張廣濤，等．旋轉式慣導系統(tǒng)旋轉角速度最優(yōu)設計［J］．儀器儀表學報，2013，34(11):2526-2534．YUF，SUNQ，ZHANGGT，etal．OptimaldesignofrotationangularrateofrotarySINS［J］．ChineseJournalofScientificInstrument，2013，34(11):2526-2534．

［5］LEVISONE，HORSTJT，WILLCOCKSM．Thenextgenerationmarineinertialnavigationisherenow［C］．IEEEPositionLocationandNavigationSymposium，1994:121-127．

［6］TUCKERT，LEVISONE．TheAN/WSN-7Bmarinegy-rocompass/navigator［C］．IONNTM，2000:348-357．

［7］LAHHAMJI，BRAZELLJR．AcousticnoisereductionintheMK49shipsinertialnavigationsystem［C］．IEEEPositionLocationandNavigationSymposition，1992:32-39．

［8］ZHAF，HUBQ，QINFJ，etal．Arotatinginertialnav-igationsystemwiththerotatingaxiserrorcompensationconsistingoffiberopticgyros［J］．OptoelectronicsLet-ters，2012，8(2):146-149．

［9］LIUF，WANGW，WANGL，etal．Erroranalysesandcalibrationmethodswithaccelerometersforopticalangleencodersinrotationalinertialnavigationsystems［C］．AppliedOptics，2013，52(32):7724-7731．［10］孫楓，王秋瀅．三軸旋轉捷聯(lián)慣導系統(tǒng)旋轉方案［J］．儀器儀表學報，2013，34(1):65-72．SUNF，WANGQY．Rotationschemedesignformodula-tedSINSwiththreerotatingaxis［J］．ChineseJournalofScientificInstrument，2013，34(1):65-72．

［11］劉潔瑜，蔚國強，楊建業(yè)．雙軸連續(xù)旋轉激光捷聯(lián)慣導誤差高精度補償方法［J］．系統(tǒng)工程與電子技術，2015，37(1):148-154．LIUJY，WEIGQ，YANGJY．Highprecisionerrorcompensationmethodfordouble-axisrotationmodulationringlaserstrap-downinertialnavigationsystem［J］．JournalofSystemsEngineeringandElectronics，2015，37(1):148-154．

［12］譚彩銘，朱欣華，王宇，等．一種繞任意軸旋轉的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)多位置初始對準方法［J］．中國慣性技術學報，2015，23(3):293-297．TANCM，ZHUXH，WANGY，etal．Muti-positiona-lignmentwitharbitraryrotationaxisforSINS［J］．Jour-nalofChineseInertialTechnology，2015，23(3):293-297．

［13］孫偉，初婧，丁偉，等．基于IMU旋轉的MEMS器件誤差調(diào)制技術研究［J］，電子測量與儀器學報，2015，29(2):240-246．SUNW，CHUJ，DINGW，etal．Researchonerrormodu-lationtechnologyofMEMSbasedonIMUrotation［J］．JournalofElectronicMeasurementandInstrumentation，2015，29(2):240-246．

［14］高延濱，管練武，王庭軍．單軸旋轉調(diào)制捷聯(lián)慣導系統(tǒng)傾斜角誤差補償［J］．中國慣性技術學報，2013，21(4):446-451．GAOYB，GUANLW，WANGTJ．Compensationforinclinationangledeviationofsingle-axisrotationmodula-tion［J］．JournalofChineseInertialTechnology，2013，21(4):446-451．

［15］常路賓，李安，覃方君．雙軸轉位式捷聯(lián)慣導系統(tǒng)安裝誤差分析［J］．計算機仿真，2011，28(3):1-4，10．CHANGLB，LIAN，QINFJ．Anslysisoninstallationerrorofdual-axisdwellstrapdowninertialnavigationsys-tem［J］．ComputerSimulation，2011，28(3):1-4，10．

［16］陳晨，趙文宏，徐慧鑫，等．基于卡爾曼濾波的MEMS陀螺儀漂移補償［J］．機電工程，2013，30(3):311-313，321．CHENCH，ZHAOWH，XUHX，etal．CompensationofMEMSgyroscopeerrorbasedonKalmanfilter［J］．JournalofMechanicalandElectricalEngineering，2013，30(3):311-313，321.

作者：賈勇 李歲勞 王瑋 單位：西北工業(yè)大學自動化學院 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院