技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构及其标定方法。
背景技术
[0002] 惯性器件作为惯导系统与外界信息交互的媒介，是导航系统重要的组成部分，其
精度的高低直接决定着导航系统的速度、
位置和
姿态精度，对于
飞行器、
船舶、无人机等能否顺利完成既定任务起着至关重要的作用。高精度的惯性器件如激光陀螺、光纤陀螺等由于其自身敏感误差较低，可以提供高精度的测量数据，因此在军事领域得到了广泛的应用，但是由于其成本较高、研制周期长等问题，限制了其在导航领域尤其是民用低成本领域的发展。针对这一问题，国内外研究机构研发了微
机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)惯性测量元件(Inertial Measurement Unit，IMU)。MEMS-IMU以其体积小、成本低可靠性能优良的特点拓宽了导航系统的发展领域，成为了惯性测量元件中应用较为广泛的产品之一，在无人机等领域为其姿态控制和导航
定位解算提供着可靠
支撑，为导航技术的发展奠定了坚实
基础。随着行业对其精度要求的不断提高以及科学技术的不断发展，MEMS惯性器件的相关技术也在不断进步，但是由于发达国家在技术层面的封
锁，我国市场上现有的MEMS惯性器件普遍处于精度较低的
水平，其测量数据的误差较大无法满足导航系统实时定位的要求。MEMS惯性器件的误差主要包括零偏误差和随机噪声，另外其测量数据还包含了由于内部结构引起的安装误差和刻度系数误差，因此必须采取恰当的措施来对MEMS惯性器件进行数据补偿和标定。通过有效的滤波
算法消除常值零偏和随机噪声以及采用标定技术对测量数据进行补偿可以在一定程度上提高导航系统的精度。
[0003] 旋转调制技术是在捷联惯导系统的基础上发展起来的，作为一种惯性器件误差自补偿技术，在捷联式惯导系统中加装转位机构，通过不同的转停方案设计研究可以将
陀螺仪和
加速度计的常值误差调制成正弦
信号的形式，通过积分消除常值误差对导航系统精度的影响并抑制缓变误差。该方法在不改变惯性器件本身精度的情况下可以大幅度的提高导航系统的速度、位置和姿态精度，是有效实现更高导航精度的一个有效途径。
[0004] 标定技术是按照一定的数学方法计算出惯性器件的各种误差项，并通过反馈补偿来提高惯性器件输出数据的精度，进而提高导航系统的精度。按照实验环境可以分为外场标定技术和内场标定技术，实验室由于有可以提供高精度位置速度关系的三轴转台，因此可以提供较高精度的标定结果，但是在工程中由于条件的局限性，没有实际的应用价值。外场标定技术可以很好的解决这个问题，在船舶、飞行器等系泊和停靠的状态下，对机载惯性器件进行标定，具有标定成本低、不依赖实验室高精度转台、实现长航时导航要求等优点。现有的外场标定技术大多数是利用双轴转台对惯性器件进行多位置转动来获得不同位置的导航信息，然后建立标定方程模型，利用卡尔曼滤波或模值拟合等方法计算出惯性器件的误差项，然后对惯性器件参数进行补偿。
[0005] 上述技术都是在双轴转位机构的支持下展开的。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了提供一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构及其标定方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：包括底部支撑模
块、设置在底部支撑模块上的旋转平台模块、
电路模块，所述旋转平台模块包括方位滑环端盖、导电滑环、方位滑环轴联接件、方位滑环轴套、双列
角接触球
轴承、方位滑环轴、
俯仰平台、方位
电机轴、联接端盖、谐波减速器、方位电机轴止动片、步进电机、步进电机端盖、光电
传感器、方位平台，俯仰平台是MEMS惯性器件的安装平台，方位滑环轴一端与俯仰平台通过
过盈配合联接在一起、另一端与双列
角接触球轴承配合实现与方位平台之间的相对运动，通过
螺栓将方位滑环轴联接件联接在方位滑环轴上，导电滑环内置于方位滑环轴空腔，其
法兰部分通过螺栓与方位滑环轴联接，方位滑环端盖通过螺栓与方位平台联接实现密封与限制轴承、轴的轴向移动，方位电机轴一端与俯仰平台通过过盈配合联接在一起，另一端与双列角接触球轴承配合实现与方位平台之间的相对运动，联接端盖通过螺栓联接在方位平台上，方位电机轴止动片通过螺栓联接在方位电机轴上以限制轴的轴向移动，谐波减速器一端联接在步进电机上进行1：1运动传递、另一端固定在方位电机轴上实现1：30运动传递，步进电机端盖通过螺栓与方位平台联接，
光电传感器固定在方位平台上，用来实现俯仰平台的位置检测和初始、终止零位确定。
[0008] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0009] 1.底部支撑模块包括俯仰滑环端盖、俯仰滑环轴联接件、导电滑环、俯仰滑环轴套、俯仰滑环轴、双列角接触球轴承、底部支撑、光电传感器、俯仰电机轴、俯仰电机轴止动片、联接端盖、谐波减速器、步进电机、步进电机端盖，俯仰滑环轴一端与方位平台通过过盈配合联接在一起、另一端与双列角接触球轴承配合实现与底部支撑之间的相对运动，通过螺栓将俯仰滑环轴联接件联接在俯仰滑环轴上，导电滑环内置于俯仰滑环轴空腔，其法兰部分通过螺栓与俯仰滑环轴联接，俯仰滑环端盖通过螺栓与底部支撑联接实现密封与限制轴承、轴的轴向移动，俯仰电机轴一端与方位平台通过过盈配合联接在一起、另一端与双列角接触球轴承配合实现与底部支撑之间的相对运动，联接端盖通过螺栓联接在底部支撑上、另一端与双列角接触球轴承以面接触的形式限制轴承的轴向移动，俯仰电机轴止动片通过螺栓联接在俯仰电机轴上，谐波减速器一端联接在步进电机上进行1：1运动传递、另一端固定在俯仰电机轴上实现1：30运动传递，步进电机端盖通过螺栓与底部支撑联接，光电传感器固定在底部支撑上。
[0010] 2.电路模块包括
电路板外壳、密封盖板、拆卸
支架、外接航插、控制传输电路板，控制传输电路板通过螺栓固定在电路板外壳上，其采集的数据信号和
控制信号通过外接航插进行输入输出，密封盖板通过螺栓分别与电路板外壳和底部支撑联接，拆卸支架内置
弹簧，在正常工作状态下使得其紧扣在密封盖板的外侧上，当拆去螺栓后向两侧旋转四个拆卸支架即可完成电路模块的拆卸。
[0011] 3.一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构的标定方法，步骤如下：
[0012] 步骤1：双轴转位机构通电保持静止状态3分钟预热，两个旋
转轴Xs、Ys轴在光电传感器的辅助下进行寻零，控制双轴转位机构Xs、Ys缓慢旋转使其尽可能与地理系重合；
[0013] 步骤2：控制Xs轴以
角速度ω1旋转11个整周期记录数据，转位机构
旋转轴回零；
[0014] 步骤3：控制Ys轴以角速度ω2旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0015] 步骤4：控制Xs轴以角速度2ω1旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0016] 步骤5：控制Ys轴以角速度2ω2旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0017] 步骤6：控制Xs轴在旋转一个角度θ保持通电使其静止在相应的位置，令Ys轴以角速度±ω3分别旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0018] 步骤7：双轴转位机构相对Zb轴转动180°，控制Xs轴旋转-θ角度，保持通电使其静止在相应的位置，然后令Ys轴以角速度±ω3分别旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0019] 步骤8：对上述试验过程获得的数据进行处理，提取有效数据；
[0020] 步骤9：给出各误差参数的表达式，利用试验数据解算出误差参数，并对测量数据进行标定。
[0021] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：，本发明的转位机构可以绕着两个相互垂直的轴进行360°的旋转，可以保证MEMS惯性器件进行全方位的数据测量。应用该双轴转位机构可以完成MEMS惯导系统的双轴旋转调制技术以及外场标定技术，可以极大的提高导航系统的位置、速度和姿态精度。通过控制输入的脉冲可以实现旋转平台的运动控制以及转停位置控制，利用谐波减速器的机械细分可以实现角分级的单脉冲运动，利用光电传感器的
运动检测可以实现旋转平台的初始、结束的回归零位，利用导电滑环可以解决旋转过程中传输线路的缠绕问题。其体积较小便于携带，且运动精度较高十分适用于工程环境下MEMS惯导系统的应用与实验测试工作。
[0022] 本发明在导航领域的发展中起着重要作用。首先，旋转调制技术可以将MEMS惯性器件的常值误差调制成零均值周期的正弦形式并抑制缓变误差和安装误差，双轴转位机构作为旋转调制技术的实施载体可以消除x、y、z三个方向的导航误差。其次，由于MEMS惯性器件存在较大的误差，包括安装误差、刻度系数误差、零偏误差等，因此需要对其采集的数据进行标定处理(尤其适用于工程环境下的外场标定)。双轴转位机构作为标定技术的实施载体可以使MEMS惯性器件进行多位置
数据采集，提高数据采集的可靠性。最后，以双轴转位机构为基础可以制定出合理的标定和旋转调制方案以及进行大量的MEMS导航系统相关实验。
附图说明
[0023] 图1是一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构图；
[0024] 图2是旋转平台模块爆炸图；
[0025] 图3a是旋转平台模块结构图；
[0026] 图3b是旋转平台模块剖视图；
[0027] 图4是底部支撑模块爆炸图；
[0028] 图5a是底部支撑模块结构图；
[0029] 图5b是底部支撑模块剖视图；
[0030] 图6是电路模块结构图；
[0032] 图8a是MEMS陀螺仪X轴的标定结果图；
[0033] 图8b是MEMS陀螺仪Y轴的标定结果图；
[0034] 图8c是MEMS陀螺仪Z轴的标定结果图；
[0035] 图9是双轴旋转调制的转位次序示意图；
[0036] 图10a是双轴旋转调制导航速度结果示意图；
[0037] 图10b是双轴旋转调制导航位置结果示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0039] 结合图1至图10b，旋转平台模块1由方位滑环端盖1-1、导电滑环1-2、方位滑环轴联接件1-3、方位滑环轴套1-4、双列角接触球轴承1-5、方位滑环轴1-6、俯仰平台1-7、方位电机轴1-8、联接端盖1-9、谐波减速器1-10、方位电机轴止动片1-11、步进电机1-12、步进电机端盖1-13、光电传感器1-14、方位平台1-15组成，如图2所示。
[0040] 所述的俯仰平台1-7是MEMS惯性器件的安装平台，MEMS惯性器件与俯仰平台用螺栓联接。方位滑环轴1-6一端与俯仰平台1-7通过过盈配合联接在一起，另一端与双列角接触球轴承1-5配合实现与方位平台1-15之间的相对运动，通过螺栓将方位滑环轴联接件1-3联接在方位滑环轴1-6上，使得方位滑环轴套1-4与双列角接触球轴承1-5实现面接触，限制轴承的轴向移动。导电滑环1-2内置于方位滑环轴1-6空腔，其法兰部分通过螺栓与方位滑环轴1-6联接，内含的
转子可以绕方位滑环轴1-6做相对转动，防止数据和电信高传输
线束与轴之间的缠绕。方位滑环端盖1-1通过螺栓与方位平台1-15联接实现密封与限制轴承、轴的轴向移动。滑环一端作为从动转动一侧，配合步进电机一侧旋转。方位电机轴1-8一端与俯仰平台1-7通过过盈配合联接在一起，另一端与双列角接触球轴承1-5配合实现与方位平台1-15之间的相对运动。联接端盖1-9通过螺栓联接在方位平台1-15上，另一端与双列角接触球轴承1-5以面接触的形式限制轴承的轴向移动。方位电机轴止动片1-11通过螺栓联接在方位电机轴1-8上以限制轴的轴向移动。谐波减速器1-10一端联接在步进电机1-12上进行1：1运动传递，另一端固定在方位电机轴1-8上实现1：30运动传递。步进电机端盖1-13通过螺栓与方位平台1-15联接，主要作用是固定电机和限制轴向移动。光电传感器1-14固定在方位平台1-15上，用来实现俯仰平台1-7的位置检测和初始、终止零位确定，如图3所示。定位原理：开机启动电机带动
框架向零位检测结构缓慢运动，当光电传感器检测到信号后立即停止运动，然后反向控制电机以单个脉冲为间隔旋转直到光电传感器再次检测到信号，此时机构回归零位。
[0041] 底部支撑模块由俯仰滑环端盖2-1、俯仰滑环轴联接件2-2、导电滑环2-3、俯仰滑环轴套2-4、俯仰滑环轴2-5、双列角接触球轴承2-6、底部支撑2-7、光电传感器2-8、俯仰电机轴2-9、俯仰电机轴止动片2-10、联接端盖2-11、谐波减速器2-12、步进电机2-13、步进电机端盖2-14组成，如图4所示。
[0042] 所述的俯仰滑环轴2-5一端与方位平台1-15通过过盈配合联接在一起，另一端与双列角接触球轴承2-6配合实现与底部支撑2-7之间的相对运动，通过螺栓将俯仰滑环轴联接件2-2联接在俯仰滑环轴2-5上，使得俯仰滑环轴套2-4与双列角接触球轴承2-6实现面接触，限制轴承的轴向移动。导电滑环2-3内置于俯仰滑环轴2-5空腔，其法兰部分通过螺栓与俯仰滑环轴2-5联接，内含的转子可以绕俯仰滑环轴2-5做相对转动，防止数据和电信高传输线束与轴之间的缠绕。俯仰滑环端盖2-1通过螺栓与底部支撑2-7联接实现密封与限制轴承、轴的轴向移动。滑环一端作为从动转动一侧，配合步进电机一侧旋转。俯仰电机轴2-9一端与方位平台1-15通过过盈配合联接在一起，另一端与双列角接触球轴承2-6配合实现与底部支撑2-7之间的相对运动。联接端盖2-11通过螺栓联接在底部支撑2-7上，另一端与双列角接触球轴承2-6以面接触的形式限制轴承的轴向移动。俯仰电机轴止动片2-10通过螺栓联接在俯仰电机轴2-9上以限制轴的轴向移动。谐波减速器2-12一端联接在步进电机2-13上进行1：1运动传递，另一端固定在俯仰电机轴2-9上实现1：30运动传递。步进电机端盖
2-14通过螺栓与底部支撑2-7联接，主要作用是固定电机和限制轴向移动。光电传感器2-14固定在底部支撑2-7上，用来实现方位平台1-15的位置检测和初始、终止零位确定，如图5所示。
[0043] 电路模块由电路板外壳3-1、密封盖板3-2、拆卸支架3-3、外接航插3-4、控制传输电路板3-5组成。
[0044] 所述的电路模块中，控制传输电路板3-5通过螺栓固定在电路板外壳3-1上，其采集的数据信号和控制信号通过外接航插3-4进行输入输出，密封盖板3-2通过螺栓分别与电路板外壳3-1和底部支撑2-7联接。拆卸支架3-3内置弹簧，在正常工作状态下使得其紧扣在密封盖板3-2的外侧上，当拆去螺栓后向两侧旋转四个拆卸支架3-3即可完成电路模块的拆卸。
[0045] 以上述双轴转位机构为基础，设计了一种在静态条件下MEMS陀螺仪的标定方法，具体的步骤如下：
[0046] 步骤1：双轴转位机构通电保持静止状态3分钟预热，两个旋转轴Xs、Ys轴在光电传感器的辅助下进行寻零，控制双轴转位机构Xs、Ys缓慢旋转使其尽可能与地理系重合；
[0047] 步骤2：控制Xs轴以角速度ω1旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0048] 步骤3：控制Ys轴以角速度ω2旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0049] 步骤4：控制Xs轴以角速度2ω1旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0050] 步骤5：控制Ys轴以角速度2ω2旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0051] 步骤6：控制Xs轴在旋转一个角度θ保持通电使其静止在相应的位置，令Ys轴以角速度±ω3分别旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0052] 步骤7：双轴转位机构相对Zb轴转动180°，控制Xs轴旋转-θ角度，保持通电使其静止在相应的位置，然后令Ys轴以角速度±ω3分别旋转11个整周期记录数据，转位机构旋转轴回零；
[0053] 步骤8：对上述试验过程获得的数据进行处理，提取有效数据；
[0054] 步骤9：给出各误差参数的表达式，利用试验数据解算出误差参数，并对测量数据进行标定。
[0055] 标定原理：
[0056] MEMS陀螺仪的误差模型如下所示：
[0057]
[0058] 其中 为惯性器件的真实测量值，其中ωim为理想状态下的角速度信息，Sx、Sy、Sz为刻度系数误差，▽x、▽y、▽z为零偏误差，Kxy、Kxz、Kyx、Kyz、Kzx、Kzy为安装误差。
[0059] 步骤2和步骤3中，当转位机构分别绕着Xs、Ys轴转动时，ωie为地球自转角速度，为当地维度信息，MEMS陀螺仪的理论输出值如下：
[0060]
[0061]
[0062] 将式(2)、(3)分别带入式(1)可以得到步骤2中MEMS陀螺仪的理论输出值与实际测量值之间的关系：
[0063]
[0064]
[0065] 用2ω1、2ω2替换式(4)和式(5)中的ω1、ω2即可得到步骤4和步骤5中MEMS陀螺仪的理论输出值与实际测量值之间的关系，记为式(6)、式(7)。在N个整旋转周期内，令式(6)减去式(4)，式(7)减去式(5)可以得到MEMS陀螺仪的6个误差参数，即：
[0066]
[0067]
[0068]
[0069] 步骤6和步骤7中当绕Ys轴正转(绕Xs轴正反转)时，MEMS陀螺仪的理论输出值可以表示为：
[0070]
[0071]
[0072] 其中 为绕着Ys轴旋转时由载体系到转动系的方向余弦矩阵， 与 分别为绕着Xs轴正反转过一定角度时由载体系到转动系的方向余弦矩阵。
[0073] 在N个整旋转周期内，用式(10)加上式(9)、式(10)减去式(9)并将其结果分别带入式(1)所示的MEMS陀螺仪误差模型中，步骤6和步骤7最终得到的结果如下所示：
[0074]
[0075]
[0076] 同理，当绕Ys轴反转(绕Xs轴正反转)，步骤6和步骤7最终得到的结果如下所示：
[0077]
[0078]
[0079] 令式(13)减去式(11)，式(14)加上式(12)可以得到MEMS陀螺仪的6个误差参数的表达式如下：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 对式(1)进行
变形得到MEMS陀螺仪测量数据的误差校正模型如式(15)，其中Sg为刻度系数误差矩阵，Ng为安装误差矩阵。利用求解得到的全部误差参数，即可实现对MEMS陀螺仪测量数据的校正。
[0087]
[0088] 本发明是基于解决MEMS惯性器件测量精度较低的问题设计的一款可以实现外场标定技术、旋转调制技术的双轴转位机构，其技术参数如下
[0089]
[0090] 一种用于MEMS惯导系统的辅助导航设备主要是用于对MEMS惯性器件采集的数据进行预处理以获得精度较高的导航参数，以及实现双轴旋转调制技术提高导航系统的速度位置和姿态精度。其
质量为7.2Kg便于携带，解决了实验室高精度设备无法适用于实际工程条件下应用的
缺陷。双轴转位机构的控制和数据传输方案如图7所示，步进电机采用PWM脉冲控制，在每个脉冲下的步距角为(0.45°/0.9°)，经过谐波减速器机械细分后单脉冲的步距角可以达到(0.9′/1.8′)，使得双轴转位机构可以在角分、角秒级进行转动，电源模块采用(5V转3.3V)形式给MEMS惯性器件供电，步进电机采用12V
电压供电，双轴转位机构通过RS422/RS432串口与上位机进行数据通讯。如图1～图6所示，双轴转位机构的设计参数为：规格(长×宽×高)260×254×258mm。
[0091] 参照设计的标定方法利用双轴转位机构进行MEMS陀螺仪的数据标定，其结果如图8a、8b、8c所示。
[0092] 利用双轴转位机构进行MEMS惯导系统双轴旋转调制的过程如下，其旋转次序如图9所示，转停时间为(转6秒停12秒)。将经过旋转调制的数据带入导航系统进行解算，得到的导航结果如图10所示。
[0093] 本发明的主要目的是解决基于MEMS的捷联惯性导航系统精度较低的问题以及实验室高精度转台价格昂贵、体积较大不便于工程实践的问题，具有价格便宜、转位精度高，易于操作和进行相关导航实验等优点。
