一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置

摘要

本发明属于惯性导航系统的惯性器件测试测量技术领域，具体涉及一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，包括离心机和载荷，离心机包括转台、驱动机构、转台电控机构、主轴；转台中央安装有主轴；驱动机构连接主轴并驱动主轴旋转；转台电控机构完成转台的起停、转台监控及远程控制；转台上安装有载荷，载荷包括待测惯性器件、供电与数据传输机构、固定机构、三轴光纤陀螺组件和激光测距机构；激光测距机构实时测量待测惯性器件的有效测试半径，三轴光纤陀螺组件实时测量待测惯性器件的瞬时角速率；本装置有效提高输出向心加速度的精度，进一步提高待测惯性器件的标定精度，降低非线性误差的影响。

权利要求

1.一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述惯性器件离心测试装置包括离心机和载荷；

所述离心机包括转台、驱动机构、转台电控机构、主轴；所述转台包括工作台面，转台中央安装有主轴；所述驱动机构为无刷力矩电机，驱动机构连接主轴并驱动主轴旋转；所述转台电控机构和转台电连接，并用以完成转台的起停、转台监控及远程控制；

所述转台上安装有载荷，所述载荷包括待测惯性器件、固定机构、三轴光纤陀螺组件和激光测距机构；所述固定机构用以固定待测惯性器件；

所述激光测距机构包括激光器和反射镜，激光器安装于转台的工作台面中央处，反射镜安装在与待测惯性器件安装半径相等的圆周上，所述激光器与反射镜、工作台面中心位于一条水平直线上；

所述三轴光纤陀螺组件设于转台的工作台面下方，并与待测惯性器件位于一条竖直直线上。

2.根据权利要求1所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述惯性器件离心测试装置还包括主轴支撑机构，所述主轴支撑机构采用机械轴系支承方式。

3.根据权利要求2所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，离心机下方设有用于将离心机调平的调平垫铁，离心机转台外侧设有光栅编码器。

4.根据权利要求3所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述激光测距机构用以实时测量待测惯性器件的有效测试半径。

5.根据权利要求4所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述三轴光纤陀螺组件用以实时测量待测惯性器件的瞬时角速率。

6.根据权利要求5所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述载荷还包括供电与数据传输机构，所述供电与数据传输机构包括设置于工作台面中央的1个电连接器，以及与电连接器相连接的导电滑环。

7.根据权利要求6所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述固定机构和待测惯性器件下方设有第一大理石台面；第一大理石台面下方设有第二大理石台面。

8.根据权利要求7所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述三轴光纤陀螺组件、待测惯性器件以及激光测距机构的数据输出至采集计算机。

9.根据权利要求8所述的一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，其特征在于，所述待测惯性器件为加速度计。

说明书

一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置

技术领域

[0001] 本发明属于惯性导航系统的惯性器件测试测量技术领域，具体涉及一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置。

背景技术

[0002] 光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的速率积分陀螺，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光将因惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。光纤陀螺是惯性导航系统的核心器件之一。

[0003] 惯性导航系统中，惯性器件的精度校正具有重要的意义。如US2873426A公开了一种加速度计校准系统，包括在高速下测试校准待测加速度计的振动器，在振动器构件的端部上安装被测加速度计，以及电连接到振动器构件的测试以及电源装置，通过以上振动结构来实现加速度计的校准。US9459277B2公开了一种校准3轴加速计的系统和方法，包括加速度传感器和速度传感器，使用速度传感器来接收速度信息，使用速度信息沿至少一条所测部件的加速度信息，使用加速度传感器接收加速度信息，并且使用所述加速度信息、加速度传感器加速度样本和平均垂直向量采样来将所测部件中的至少之一校准到加速度传感器轴。

[0004] 但是在实际应用中，加速度计的输出并不是线性的，除零偏与一次项构成的线性部分外，还包括高阶非线性项、交叉耦合项等误差项。但目前缺乏对上述误差进行校准用的有效测试装置。精密离心机是惯性导航系统中的惯性器件的常用高动态测试设备，其依靠高转速提供高向心加速度的设备，当待测惯性器件安装于离心机台面并随之共同旋转，就能够获得远远大于重力的加速度作用，以此激励在重力场下无法与传感器线性部分进行区分的非线性误差，从而使对非线性误差的标定成为可能。

[0005] 根据向心加速度的定义可知，角速率与有效半径的误差都将影响向心加速度的大小。由于向心加速度与角速率的平方成正比，因此角速率的精度对于向心加速度有着重要影响。但在常规精密离心机工作过程中，均采用平均角速率表征实际的角速率大小，这种方式无法对角速度误差影响下的角速率进行准确描述。这将带来两个问题，一是离心机转台不同相位下的瞬时角速率并不相等，并且受多种因素影响，无法通过平均角速率描述；二是在精密离心测试过程中，任意的转速序列由于角速率误差的存在难以保证线性度。有效半径则会受到离心载荷与重力载荷影响，导致其拉伸。同时由于离心载荷与向心加速度大小有关，这将在测试中引入一项奇异二次项误差，引起加速度测量的非线性。

[0006] 因而，对于工程实际中的惯性传感器或惯性导航系统的高动态测试中，离心机角速度误差与有效半径误差将造成向心加速度误差，最终导致待测设备的标定精度降低，无法准确反映其性能。

发明内容

[0007] 针对目前现有技术中存在的问题，本发明提供了一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置。基于光纤陀螺与激光测距，用以提高精密离心测试中的角速率与测试半径的精度，并最终提高待测惯性设备的标定精度。

[0008] 本发明完整的技术方案包括：

[0009] 一种惯性导航系统校准用惯性器件离心测试装置，所述惯性器件离心测试装置包括离心机和载荷；

[0010] 所述离心机包括转台、驱动机构、转台电控机构、主轴；所述转台包括工作台面，转台中央安装有主轴；所述驱动机构为无刷力矩电机，驱动机构连接主轴并驱动主轴旋转；所述转台电控机构和转台电连接，并用以完成转台的起停、转台监控及远程控制；

[0011] 所述转台上安装有载荷，所述载荷包括待测惯性器件、供电与数据传输机构、固定机构、三轴光纤陀螺组件和激光测距机构；所述固定机构用以固定待测惯性器件；

[0012] 所述激光测距机构包括激光器和反射镜，激光器安装于转台的工作台面中央处，反射镜安装在与待测惯性器件安装半径相等的圆周上，所述激光器与反射镜、工作台面中心位于一条水平直线上；

[0013] 所述三轴光纤陀螺组件设于转台的工作台面下方，并与待测惯性器件位于一条竖直直线上。

[0014] 进一步的，所述惯性器件离心测试装置还包括主轴支撑机构，所述主轴支撑机构采用机械轴系支承方式。

[0015] 进一步的，离心机下方设有用于将离心机调平的调平垫铁，离心机转台外侧设有光栅编码器。

[0016] 进一步的，所述激光测距机构用以实时测量待测惯性器件的有效测试半径。

[0017] 进一步的，所述三轴光纤陀螺组件用以实时测量待测惯性器件的瞬时角速率。

[0018] 进一步的，所述载荷还包括供电与数据传输机构，所述供电与数据传输机构包括设置于工作台面中央的1个电连接器，以及与电连接器相连接的导电滑环。

[0019] 进一步的，所述固定机构和待测惯性器件下方设有第一大理石台面；第一大理石台面下方设有第二大理石台面。

[0020] 进一步的，所述三轴光纤陀螺组件、待测惯性器件以及激光测距机构的数据输出至采集计算机。

[0021] 进一步的，所述待测惯性器件为加速度计。

[0022] 本发明在高加速度量程（>100g）要求下，设计了一种新型的精密离心装置，主要包括精密离心机机械台体，三轴光纤陀螺组件，激光测距系统等组成部分。采用高强度钛合金材料作为负载工装、三轴光纤陀螺组件工装、反射镜主体结构等部分在离心载荷下的强度以及稳定性，确保各组件不会出现失效。采用海德汉绝对式圆光栅作为角位置传感器，通过AKD系列伺服驱动器进行力矩电机驱动，保证高转速下的稳定性，并降低对陀螺仪器件的需求。

附图说明

[0023] 图1为本发明离心测试装置示意图。

[0024] 图2为本发明离心测试装置工作台面结构图。

[0025] 图3为本发明离心测试装置工作系统框图。

[0026] 图中：1‑待测惯性器件，2‑固定机构，3‑第一大理石台面，4‑第二大理石台面，5‑反射镜，6‑激光器，7‑三轴光纤陀螺组件。

具体实施方式

[0027] 以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

[0028] 本发明所公开的惯性导航系统校准用惯性传感器离心测试装置，是一种基于光纤陀螺与激光测距的精密离心测试装置，主要部件包括离心机机械台体，三轴光纤陀螺组件以及激光测距系统。离心机机械台体采用立式台面式结构，在传统精密离心机结构基础上，增加三轴光纤陀螺组件以及激光测距系统，用于提高角速率与测试半径的精度。具体结构如图1‑2所示，包括离心机和载荷，其中离心机采用机械台体。机械台体采用立式台面单轴电动结构，主要为载荷提供安装基准和回转运动，机械台体包括转台、驱动机构、转台电控机构、主轴及主轴支撑机构。

[0029] 其中转台采用立式台面式结构，包括工作台面，转台上安装有载荷，转台中央安装有主轴，主轴支撑机构为精密机械轴系支承，每个轴系均采用高精密角接触球轴承作为离心机轴系的主支承和辅助支承。由于三轴光纤陀螺组件将增加离心机台面的重力载荷，台面刚度需要尽可能大以减小因重力载荷引起的弯曲，这里采用超硬铝材料，牌号7075，在具有高强度同时还有弱磁性，能够有效减小台面的漏磁。

[0030] 驱动机构为无刷力矩电机，作为离心机轴系的驱动元件并驱动主轴带动离心机旋转；机械台体下方设有用于将离心机调平的调平垫铁。使转台的台面上下表面具有相同的平整度，并使法线方向平行。

[0031] 转台电控系统负责完成转台的起停、转台监控及远程控制等功能，以实现离心测试功能，转台电控机构主要由运动控制单元、测角单元、驱动单元、逻辑控制单元等组成。并且转台电控机构放置于控制机柜内并具备可视化操作界面，便于实现运动控制、数据处理、状态监控等功能；转台电控系统采用主控计算机+“DSP+FPGA 运动控制板卡”+伺服驱动单元+力矩电机+高精度编码器的技术方案，采用位置、速率、电流三环闭环控制方式，配合现有的成熟伺服控制算法，保证系统良好的稳态精度及动态品质。三轴光纤陀螺组件、待测惯性器件以及激光测距输出数据通过RS232/422输出至采集计算机，获得实时向心加速度与瞬时角速率、有效测试半径之间的关系，根据实时有效测试半径和瞬时角速率计算得到加速度基准值，并与待测惯性器件采集的实测加速度值对比，从而对待测惯性器件进行测量后的校正。

[0032] 所述载荷包括待测惯性器件1、固定机构2、供电与数据传输机构、三轴光纤陀螺组件7和激光测距机构。

[0033] 待测惯性器件位于第一大理石台面3上，并由固定机构进行固定，固定机构通过转接件连接待测惯性器件，在离心测试中，为了获得100g的加速度，所需的离心机转速将达到约5转每秒，因此固定机构需要具备对抗100g离心负载的能力。为了减小待测惯性器件以外的负载，采用高强度钛合金作为固定机构的材料，在结构上利用三角支撑方式进一步提高对抗离心负载能力。转接件应具备便于使待测惯性器件完成180°转向的能力，同时使得安装于转接件上的待测惯性器件，其通信功能不受转向阻碍。此外，在尺寸上应使转向前后有效半径变化尽可能小。

[0034] 所述固定机构下方设有第一大理石台面，第一大理石台面用于安装待测惯性器件；第一大理石台面下方设有第二大理石台面4，第二大理石台面5用于隔绝转台与待测惯性器件间的热量传递。

[0035] 所述激光测距机构采用激光干涉仪形式实现激光测距功能，包括激光器6和反射镜5，激光器安装于工作台面中央主轴处，对称安装2只。在与待测惯性器件安装半径相等的圆周上，偏移待测惯性器件位置少许，安装有2面反射镜用于接收反射激光器光束。激光器与反射镜、台面中心在水平方向位于一条直线上。反射镜结构的刚度需要保证在高向心加速度下不会失效，激光器的激光探头则需要确保不会相对安装面发生偏移。激光测距机构实时对待测设备的有效测试半径进行实时测量，以提高有效半径测量精度。

[0036] 三轴光纤陀螺组件7设于转台的工作台面下方，通过安装光纤陀螺，对待测惯性器件的瞬时转速进行测量，并以此取代离心机自身的角速率基准，以提高瞬时角速率测量精度。

[0037] 本发明的三轴陀螺仪实现了在安装失准角下对离心机瞬时转速的精确测量。为了减小安装失准角的影响，三轴光纤陀螺组件在安装至工作台面时，应使Z轴陀螺仪的敏感轴与台面法向平行。同时由于三轴光纤陀螺组件质量更大，因此在安装时需要更加注意工装强度问题。为了保证台面的平衡，三轴光纤陀螺组件需要安装在加速度计的正下方，同样按照对称位置在台面两侧进行安装，如图2所示。

[0038] 工作台面中间设置1个电连接器，电连接器通过导电滑环供待测惯性器件的电源供电和实现数据传输。考虑待测设备的质量，以及工装自身的质量，要求台面负载能力大于40kg。

[0039] 离心机转台外侧设有高精度光栅编码器，用以实现角度测量和角位置反馈。由于三轴光纤陀螺组件只提供瞬时角速率的测量，不具备离心机转速控制功能。转台轴角位置的测量与控制需通过测角器件完成，考虑精度要求、安装尺寸、电磁环境环境、温湿度等因素，本发明采用德国海德汉绝对式圆光栅TTRECA4412。其测量基准是周期刻线‑光栅，光栅刻制在玻璃或钢材上。绝对位置值来源于由一系列绝对码组成的光栅码盘，编码器通电时可立即得到的位置值，无需旋转轴系执行参考点回零操作。力矩电机通过伺服驱动器驱动，并在伺服驱动器的动力电源输入前端设置隔离变压器和EMI滤波器，用于抑制电网中高次谐波和射频杂波，使伺服驱动器不受电网传导干扰影响而有序工作，同时能有效抑制伺服驱动器自身产生的电磁干扰，防止干扰同电网敏感设备；另一方面在伺服驱动器的输出端与力矩电机之间加入输出电抗器或共模扼流圈，主要用于抑制因电缆线长而出现的分布电容和分布电感产生共振的现象、消除高dv/dt而造成的电机过电压、消除涡流损耗造成的电机提前损坏，减小电机驱动系统对外界的辐射干扰。

[0040] 所述待测惯性器件为加速度计，通过将加速度计固定于工作台面随转台共同旋转，使加速度计可敏感由离心机角速率引起的向心加速度，就能实现加速度计的精密离心测试。因此加速度计的安装至关重要。首先需要确定加速度计的安装形式，该安装形式由所需进行的标定种类决定。如果标定的目的是确定加速度计的高阶非线性系数，则需要使加速度计输入轴沿有效半径方向指向离心机主轴进行安装，这也是能够满足绝大多数应用的标准安装方式；如果需要对交叉耦合误差进行标定，则根据所需标定的具体交叉轴组成，使加速度计角平分线指向离心机主轴进行安装；如果需要对交叉轴非线性进行标定，则与标准方式类似，使加速度计输出轴或者摆轴指向离心机主轴进行安装。在竖直方向，应尽可能使加速度计待测试轴与台面平行，从而减小重力加速度的影响。

[0041] 本发明整体结构整体工作原理及转台具体的转速控制流程如图3所示，通过上位机操作，进行模式选择、参数设置及监控，实现本地或远程操作，控制计算机收到指令和反馈的信息后，进行判断运算，向运动控制模块发出运动指令，运动控制模块据此产生控制信号。控制信号传递给驱动模块，驱动模块驱动电机转动，经过高精度角度编码器+角位置采集卡对角位置的测量与解算，实现预定的角运动功能，并保证高转速稳定性，从而降低对三轴光纤陀螺组件各器件的性能要求。

[0042] 以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。