第三章(惯性仪器测试与数据分析)测试方法ppt课件.ppt
1,惯性仪器测试与数据分析,西北工业大学 自动化学院严恭敏 2015-09,2,第三章 惯性仪器的测试原理与方法,主要内容：一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试 二、陀螺仪静态误差的伺服转台测试 三、加速度计重力场试验,3,第三章 惯性仪器的测试原理与方法,主要内容：,惯性仪器的测试,陀螺漂移测试,转台伺服试验：测定陀螺仪的长期漂移性能，模拟平台惯导系统工作状态,力矩反馈试验，测定陀螺仪的短期漂移性能，模拟捷联惯导系统工作状态,加速度计力矩反馈测试：使用精密分度头分离静态模型各项参数,重点介绍：1g重力场内进行最简单和最基本的测试方法，获得惯性器件的基本性能参数，作为了解其它试验方法的基础,4,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,1、重力场测试中单自由度陀螺仪静态漂移误差数学模型,（1）重力场中的陀螺静态漂移值,为力矩器刻度因素，单位/h/mA；为再平衡回路采样电流，单位mA；为地球角速度 在陀螺输入轴的投影分量。,（2）重力场中的比力值,若记,则,（3）陀螺漂移测试数学模型,5,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（1）极轴翻滚含义极轴地球的自转轴，极轴翻滚当转台的旋转轴与地球自转轴平行，转台旋转时，固定安装在转台台面上的陀螺各轴在重力场内周期性地改变方向，此即翻滚。,6,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（2）极轴翻滚受力分析,由西向东看,由极轴北向南看,缩略符号说明：E-东向、S-南向、W-西向、N-北向、U-天向、D-地向、Np-极轴北向，Sp极轴南向L-当地地理纬度（已知）,陀螺仪各轴比力：,陀螺仪输入轴地球自转角速率：,7,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（3）极轴翻滚测试数学模型,取重力g的单位为一个重力加速度的数值进行归一化，即 ，则有,参考来源：,8,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（3）极轴翻滚测试数学模型,整理成关于 的傅里叶级数形式（去除相关性）,三角公式,9,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（4）极轴翻滚测试方法与数据处理,极轴翻滚角度示意（陀螺O轴指向Np）,翻滚角度特点：整周上分布均匀；从0度开始，为4的倍数。目的：利用对称性减小某些误差，或为后续数据处理提供方便。,每个采样点测量方程,简记,则有,10,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（4）极轴翻滚测试方法与数据处理,从方程组 求解 的方法,最小二乘解,接下来，转台绕耳轴转180度，陀螺输出轴O朝南Sp时，陀螺各轴比力分析,由西向东看,由极轴南向北看,对比O朝北Np时,11,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（4）极轴翻滚测试方法与数据处理,同理，列写陀螺O轴指向Np时n次测量构成的方程组，求最小二乘解得,每个采样点测量方程,12,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（4）极轴翻滚测试方法与数据处理,综合得：,13,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,2、极轴翻滚试验,（5）极轴翻滚位置总结,极轴翻滚,O - Np,O - Sp,陀螺S轴垂直于转台台面,S - Np,S - Sp,特点：陀螺I轴平行于转台台面，极轴翻滚过程中I垂直于极轴，始终不感受角速率。,14,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,3、地理坐标位置翻滚试验,特点：地理位置翻滚试验中，陀螺仪沿当地地理坐标系（ESWNUD）取向，每次只有陀螺仪的一个轴向（天向或地向）存在比力激励，因此无法求的交叉轴误差系数，只能估计出零次、一次及平方误差系数。,位置1中陀螺指向,八位置地理位置翻滚试验,15,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,3、地理坐标位置翻滚试验,八位置地理位置翻滚试验表,列写测试方程：,16,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,3、地理坐标位置翻滚试验,直接求解,17,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,4、固定位置综合漂移试验,目的：用于确定陀螺仪一次启动随机漂移的稳定性，或逐次启动随机漂移的重复性。,（1）一次启动随机漂移的稳定性测试方法,将单自由度陀螺仪安装在固定基座上，一般情况下三轴IOS方位可以任意，但测试过程中基座始终固定不动。 启动陀螺仪稳定后，每隔一定时间（如5min）记录一次电流数据，计算陀螺输出角速率 ，共采集n次角速率数据，统计标准差,其中 。该试验反映了陀螺仪一次启动工作过程中随机漂移的稳定程度，它是陀螺仪精度的最重要性能指标之一。一般将试验时间在23h之内的漂移稳定性称为短期稳定性，而超过6h的称为长期稳定性。,18,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,4、固定位置综合漂移试验,（2）逐次启动随机漂移的稳定性测试方法,将单自由度陀螺仪安装在固定基座上，一般情况下三轴IOS方位可以任意，但测试过程中基座始终固定不动。 启动陀螺仪稳定后，在一段时间内（如30min）记录一组电流数据，计算陀螺平均输出角速率 ，停机冷却， 再启动陀螺仪测试，如此反复测试n次，统计标准差,该试验反映了陀螺仪多次启动之间的漂移偏差程度，它也是陀螺仪精度的最重要性能指标之一。,19,一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试,4、固定位置综合漂移试验,某陀螺漂移测试（一次漂移稳定性和逐次漂移稳定性）,20,二、陀螺仪静态误差的伺服转台测试,特点：伺服转台与陀螺仪构成伺服闭环系统，模拟平台惯导系统中陀螺仪的使用环境，适合于测定陀螺仪漂移的长期性能。,1、基本测试原理,伺服转台测试,21,二、陀螺仪静态误差的伺服转台测试,2、基本测试关系,伺服转台角速率关系,是伺服转台相对于基座转过的角度读数除以时间的平均转台角速率, 是地球自转角速率分量, 是陀螺仪漂移角速率。,陀螺仪漂移角速率公式,22,二、陀螺仪静态误差的伺服转台测试,3、漂移测试方程,讨论：（1）测试时间长短（2）对于低精度陀螺，当恰好 ， （3）若陀螺输入轴不指向极轴,23,三、加速度计重力场试验,1、基本测试原理,目的：以实验室当地重力加速度在加速度计各轴投影分量作为输入参考量，测试加速度计的基本性能参数，是最常用、最基本的试验。 局限：在重力场范围内，不能提供输入范围大于1g的比力，因此对加速度计非线性系数和交叉耦合系数的标定精度低。,测试工具、安装方式与电气连接：,24,三、加速度计重力场试验,1、基本测试原理,摘自“石英挠性加速度计模拟伺服回路设计（高雅彪）”,25,三、加速度计重力场试验,2、测试方程,受力分析：,26,三、加速度计重力场试验,3、数据处理,分度头翻滚，360范围内等间隔取点，点数通常取为4的倍数，共测试n组数据，简记,由n组测试数据构成的方程组,27,三、加速度计重力场试验,3、数据处理,最小二乘解,加速度计模型系数分离,加速度计“门状态”安装方式下测试方法与“摆状态”类似，请自行分析。,28,三、加速度计重力场试验,4、安装误差分析,（1）分度头旋转主轴不水平,（2）加速度计输入轴与分度头台面不平行,（3）输入轴的初始角位置不水平,
