基于误差分离与抑制技术的惯性仪表标定方法

发布时间：2020-03-31 06:19

【摘要】：惯性仪表是惯性导航系统的核心元件,它的精度直接影响导航精度。利用改进结构设计和制造工艺的途径来提高惯性仪表的精度在实践中遇到了制造精度极限的限制。通过在惯导测试设备上进行测试,标定惯性仪表的误差模型,补偿惯性测试设备的误差,在提升惯性仪表标定精度的同时可降低标定成本,具有非常重要的工程应用价值。本文将围绕如何补偿和抑制测试设备误差、提高惯性仪表测试精度展开研究。一方面,深入分析测试设备所产生的误差源,阐述测试设备误差与惯性仪表输出误差的关系,建立相关的标定模型,将设备误差分离并自动补偿,降低设备误差对惯性仪表标定精度的影响;另一方面,从原理上研究抑制转台误差的惯性仪表标定方法,针对当前所存在的问题,提出相应的解决方案。本文从设备误差补偿和抑制两方面着手,研究惯性仪表的标定方法,提升惯性导航系统的测试精度。针对加速度计在分度头上进行1g重力场翻滚试验的标定方法展开研究,深入分析分度头角位置误差对加速度计标定精度的影响,将分度头的角位置误差作为变量引入到加速度计的标定模型中,基于分度头误差圆周封闭的特点,提出正交双加速度计的二序列组合法,该方法可将分度头角位置误差从加速度计的输出中分离并将其自动补偿,消除角位置误差对加速度计标定精度的影响。在加速度计进行1g重力场实测试验中,通过对人为设置分度头角位置误差进行反测,验证了该方法可有效地分离出分度头的角位置误差。另外,提出等间隔90°安装的四加速度计测试法,该方法具有提高加速度计标定精度和测试效率的优点。研究了IMU分立标定中抑制三轴转台误差的方法。根据转台的工作原理,建立转台的外、中、内环轴坐标系,分析了转台误差的传递机理。推导基于三轴转台的零位误差、各轴线间的垂直度误差、安装误差与IMU输出的解析式,建立包含转台误差与IMU误差参数的分立标定模型,该模型实现了转台误差与IMU误差参数的分离,达到抑制转台误差、提高IMU标定精度的目的。仿真和实验表明,所建立的标定模型,能够克服IMU标定过程对高精度转台的依赖,具有降低标定成本的优点,同时为利用低成本转台标定高精度惯性仪表提供了新思路。针对IMU模观测标定的误差抑制方法展开研究。利用加速度计输出的比力矢量模和陀螺仪输出的角速度矢量模作为观测量,通过IMU量测信息进行椭球拟合,将IMU误差参数的标定转化为非线性方程的求解问题,建立了比力、角速度矢量模与IMU误差参数之间的关系。为保证IMU误差参数标定结果的唯一性,将加速度计和陀螺仪的误差参数分别转换至各自参数坐标系下进行标定。利用建立的IMU框架坐标系作为中间桥梁,解决了模观测方法中标定参数坐标系不统一的问题。结合IMU模观测法的标定原理,利用准D最优准则设计了标定方案,仿真验证了该方法抑制转台误差的有效性。研究了IMU在卧式三轴转台上的系统级标定方法。基于捷联惯导的速度误差方程,推导了IMU误差参数与速度误差之间的关系式。分别设计卧式三轴转台外环轴整周360°转动和等间隔90°转动两种方案:前者具有将加速度计误差参数仅反应在观测量北向分量、陀螺仪误差参数仅反应在观测量东向分量的特点,可有效避免加速度计和陀螺仪标定精度的相互影响;后者解耦了IMU安装误差角的3组耦合关系,利用系统级标定模型成功辨识出标度因子、零偏、安装误差角等共21项误差参数,摆脱了原有的系统级标定方法仅能辨识标度因子、零偏,而安装误差角依赖于分立标定法的不足。仿真验证了所提方法的有效性,该方法可降低IMU标定对转台精度的依赖性,抑制转台误差的影响,提高IMU误差参数的标定精度。
【图文】：

三轴转台,最大负载

哈尔滨工业大学研制的UOO三轴转台Fig.1-1UOOthree-axisturntabledevelopedbyHarbinInstituteofTechnology最大负载25kg

转台,分度头,三轴转台,加速度计

图 1-2 哈尔滨工业大学研Fig.1-2 OOO three-axis turntable developed b本文针对在分度头上进行加速度计标转台上开展 IMU 标定，，将考虑分度头的角响，研究三轴转台误差对 IMU 测试精度的
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH706

【参考文献】