惯性测量单元安装误差系数标定实验.docx

程学院SCHOOL OF IOIW SCI醐 IQHHLECT姬C$ EXGinC惯性测屋单元安装误差系数标定实验二零一三年六月十日2.1惯性测H单元安装误差系数标定试验一、 实验目的1、 掌握惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU )的标度系数、安装误差、零偏的标定方法；2、 利用现有实验条件实现实验过程的设计二、 实验内容利用单轴速率转台，进行IMU的安装误差系数标定，并通过公式计算该安装误差系数三、 实验系统组成单轴速率位置转台、MEMS惯性测量单元、稳压电源、数据采集系统四、 实验原理IMU安装误差系数的计算方法通常，惯导系统至少需要三个陀螺和三个加速度计，用以感知载体的三轴 角速度和加速度变化将这些陀螺和加计按照敏感轴两两正交的方式集成在一 起，安装在一个结构框架上，便构成了一个能感知完整惯性测量信息的小型系 统，称之为惯性测量单元对惯性测量单元进行标定时，除了要对其中的陀 螺、加速度计进行常规标定外，还要考虑由丁安装时不能严格保证敏感轴两两 正交所带来的交义耦合误差，即，要对 IMU的安装误差进行标定，测量出不正 交角因此，在考虑IMU的安装误差、标度因数误差、零偏误差的情况下，建 立东北天坐标系下IMU的角速度通道误差方程。

xxyxxyKyyEzyEyz七KzdZJ式中保为惯性系统i轴向陀螺输出角速度，叫为i轴向的输入角速度；弓为i轴向陀螺零偏；KH为i轴向陀螺标度因数；Ej为角速度通道的安装误差系数，i和j为坐标轴X , Y, Z的统称xnoyn ,贝U标 厂zn度因数、安装误差系数与陀螺漂移组成的矩阵可按最小二乘法估计为:类似，可计算加速度计的标度因数、安装误差系数与加计零偏互1,输出矩阵为A= ay1 旬axn Iayn ,贝U标度aznaxi axn设输入矩阵为A = ay1 ... aynaz1 azn1 1因数、安装误差系数与陀螺漂移组成的矩阵可按最小二乘法估计为:五、实验内容1、陀螺安装误差测试实验1） 速率转台处丁 “停止”状态，接通电源，预热至 IMU工作稳定；2） 分别以107s, 207s, 407s, 607s, 80/s的速率转动转台，打开监控计算机中的数据采集软件在每一个旋转速率下，转台正转，旋转稳定后，采集转台旋转360的过程中IMU的输出数据瓦j+, j =1,2,3,4,5，停转，存储数据；转台反转，如上再次采集IMU输出数据虬卜，j=1,2,3,4,5 ,停转，存储数据；3） 翻转工装，依次使得陀螺敏感轴 X、Y轴依次平■行丁转台旋转轴，在每个位置上重复上述步骤，稳定后记录转动相应敏感轴的角速度当量均值员世i =x, y; j =1,2,3,4,5并保存数据;六、实验结果陀螺数据求平■均处理10 /S20 /sX轴反向-9.9123-19.9246y轴反向-10.3317-19.9998Z轴反向-9.9690-19.8442X轴正向9.924319.9380y轴正向10.044519.9458Z轴正向10.039819.923840 /s60 /s80 /s-39.8253-59.6601-79.1389-40.4727-59.7430-79.2054-39.8682-59.4884-79.026239.819559.614679.366039.998359.938879.288539.961559.723079.3576按公式（2）计算陀螺标度因数、安装误差和零偏结果如下Kxx Exv Exz 0.98717 0.01502 0.00015| aa Ay xzIll I|E“ Kvv Eyz = -0.018 0.99482 0.000059yx yy yz_Ezx Ezy Kzz_ 一-0.0057 -0.00070 0.991897 j；x 0.0201&y = -0.0537-0.0810」2.2加速度计安装误差测试、实验步骤1） 接通电源，预热至IMU工作稳定，启动数据采集软件；2） 摇动转台手柄使IMU安装台面垂直，顺时针（9次，180度）旋转垂直方向 的转台，每隔20作为一个实验测试位置，直到转过 360回到原位置，再依 次逆时针（9次，180度）旋转垂直方向的转台，分别记录18组Z向加速 度计输出数据j j =1,2,...;3） 将转台台面调至水平，安装IMU使加速度计的Z向垂直丁水平■面内。

摇动 转台手柄使IMU安装台面垂直，调整转台Z向加速度计处丁水平位置，此 位置记为初始位置4） 顺时针旋转垂直方向的转台，每隔20作为一个实验测试位置，直到转过3600回到原位置，再依次逆时针旋转垂直方向的转台,分别记录 18组X、Y向加速度计输出数据 禹主i =x, y； j =1,2,...实验结果5）按公式（3）计算加速度计标度因数、安装误差和零位误差标度因数及安装误差阵"KxxxxExyExz〕一0.99870.00010.00201EyxKyyEyz =-0.00010.99880.0004ExEzyKzzj卜 0.0033-0.00150.9988 一加速度计的安装误差系数和零偏一电〕--0.0201 =~Y-0.0537zJ ■0.0810 一1, Matlab在求逆的时候容易出现非奇异，导致不能求逆，应当适当调整输入阵的元素顺序，避免有异2.3旋转调制原理验证实验一、实验目的1、 通过认识旋转调制技术，实现理论课学习范畴的拓展；2、 验证旋转调制技术的效果，加强学生对旋转调制技术的理解二、实验内容观摩单轴旋转调制系统工作过程，学习旋转调制原理，验证旋转调制技术对陀螺、加速度计性能的调制效果。

三、 实验系统组成旋转调制式捷联惯导系统、稳压电源、数据采集系统四、 实验原理旋转调制是陀螺漂移的自补偿技术，设 X向陀螺的漂移为 礼,加计零偏为 ▽x , Y向陀螺的漂移为"加计零偏为Vy,平台绕Z轴以的角速度旋转，如 图1所示，则地理坐标系下的等效东向和北向陀螺漂移和加速度计零偏的表达图1旋转调制捷联惯导的组成框图(D；e = ；xcos，t ；zsin t；z - - xsin t zcos t(2)旋转调制技术可以将惯性器件引起的误差大大降低五、实验内容1. 教师讲解旋转调制技术简介旋转调制系统及显控系统简介2. 操作演示演示旋转调制系统工作过程控制电机分别处丁旋转和锁定状态，输出并存储陀螺和加速度计数据3. 理论探究对两种状态下的陀螺漂移角速率分别求姿态误差角，探究旋转调制对陀螺性能改善的作用旋转调制后：未经调制的误差角:六、实验分析由图可以看出，经过旋转调制的姿态误差角从原理上讲应该比未经过旋转 调制的姿态误差角小，但是由丁其他干扰，只能看出经过旋转调制后相对丁未 经过旋转调制的情况幅值确定而不是发散陀螺标定数据\x10n.txt);陀螺标定数据\x20n.txt);陀螺标定数据\x40n.txt);陀螺标定数据\x60n.txt);陀螺标定数据\x80n.txt);陀螺标定数据\y10n.txt);陀螺标定数据\y20n.txt);陀螺标定数据\y40n.txt);陀螺标定数据\y60n.txt);陀螺标定数据\y80n.txt);四，实验源程序1,陀螺仪安装误差标定源程序%%%%%%%%%%%X 轴反向惯性器件综合实验惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 x101=x10n(2:7201,1);x201=x20n(2:3601,1);x401=x40n(2:1801,1);x601=x60n(2:1201,1);x801=x80n(28:929,1); x101=mean(x101); x201=mean(x201); x401=mean(x401); x601=mean(x601);x801=mean(x801);x1=[x101 x201 x401 x601 x801];%%%%%%%%%%%Y 轴反向惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 惯性器件综合实验 惯性器件综合实验y101=y10n(2:7201,2); y201=y20n(2:3601,2); y401=y40n(2:1801,2); y601=y60n(2:1201,2); y801=y80n(28:929,2);y101=mean(y101); y201=mean(y201); y401=mean(y401); y601=mean(y601); y801=mean(y801);y1=[y101 y201 y401 y601 y801];%%%%%%%%%%%Z 轴反向惯性器件综合实验陀螺标定数据\z10n.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\z20n.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\z40n.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\z60n.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\z80n.txt);z101=z10n(2:7201,3);z201=z20n(2:3601,3);z401=z40n(2:1801,3);z601=z60n(2:1201,3);z801=z80n(28:929,3);z101=mean(z101);z201=mean(z201);z401=mean(z401);z601=mean(z601);z801=mean(z801);z1=[z101 z201 z401 z601 z801];%%%%%%%%%%%X 轴正向惯性器件综合实验陀螺标定数据\x10p.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\x20p.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\x40p.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\x60p.txt);惯性器件综合实验陀螺标定数据\x80p.txt);x101=x10p(2:7201,1);x201=x20p(2:3601,1);x401=x40p(2:1801,1);x601=x60p(2:1201,1);x801=x80p(28:929,1);x101=mean(x101);x201=mean(x201);x401=mean(x401);x601=mean(x601);x801=mean(x801);x0=[x101 x201 x401 x601 x801];%%%%%%%%%%%%%%%%Y轴正向 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%惯性器件综合实验陀螺标定数据\y10p.t。