【摘 要】
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随着对摆式积分陀螺加速度计(Pendulous Integrating Gyroscopic Accelerometer,PIGA)精度和稳定性的要求越来越高,通过改进加速度计材料、设计和加工工艺的方法来提升使用精度变得日益困难。因此,如何通过先进的测试方法对PIGA的误差模型系数进行精准的标定,成为了进一步挖掘仪表精度潜能的关键问题。本文将针对PIGA误差模型系数的标定方法展开研究,全面分析仪表
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随着对摆式积分陀螺加速度计(Pendulous Integrating Gyroscopic Accelerometer,PIGA)精度和稳定性的要求越来越高,通过改进加速度计材料、设计和加工工艺的方法来提升使用精度变得日益困难。因此,如何通过先进的测试方法对PIGA的误差模型系数进行精准的标定,成为了进一步挖掘仪表精度潜能的关键问题。本文将针对PIGA误差模型系数的标定方法展开研究,全面分析仪表误差和测试设备误差的形成、激励和传递机理,设计PIGA在分度头、精密离心机和线振动台上的合理测试方法,通过误差补偿与误差抑制技术对PIGA的各项误差进行高效精准的标定,从而有效地提升PIGA的精度,并为其他高精度惯性仪表误差模型的参数辨识提供参考。本文首先综述了PIGA的发展历史及现状,对PIGA的标定方法进行了归纳总结,讨论了标定中存在的差距和发展趋势。针对PIGA的结构特点建立了外框架、内框架和转子的相应坐标系,基于欧拉动力学方程对PIGA进行了动力学分析,建立了PIGA的完整误差模型。通过对各项误差的计算、整理和简化进一步确立了工程化的PIGA误差模型。仿真分析了误差模型中零偏误差、标度因子误差和非线性误差对PIGA使用精度的影响,为PIGA误差模型系数的标定提供理论及工程依据。研究了在重力场下用分度头标定PIGA的方法。分析了分度头的回转轴线水平度误差、角位置误差和PIGA的安装姿态误差的传递规律,得到了重力加速度和地球自转角速度在PIGA的3个输入基准轴上的精确分量,结合已建立的PIGA误差模型,建立了包含零偏、标度因子、二次项和重力效应误差项的PIGA误差标定模型。针对此模型设计了参数辨识方法,利用信息矩阵行列式和设计的灵敏系数对等角度和等比力两种标定方法进行了对比分析,提出了针对不同PIGA误差项的最优标定方案。仿真结果验证了所提标定方法的有效性。研究了PIGA在盘式精密离心机上的标定方法。首先在考虑盘式精密离心机位姿误差的基础上建立坐标系,利用齐次变换将各个位姿误差进行传递,得到了PIGA坐标系对于地理坐标系的位姿矩阵,通过位移部分对时间求二阶导数以及考虑重力加速度、地球自转角速度,由一系列变换计算出了PIGA的精确比力输入和角速度输入。据此结合PIGA的误差模型建立了包含零偏、标度因子、二次项、交叉二次项、奇异二次项、三次项、角速度二次项和混合交叉项的误差标定模型,针对标定模型进行试验设计,提出了PIGA的对称位置组合进动整周标定方法,设计了合理的测试时间来抑制闭合误差。该方法可以自动规避初始失准角误差和自动补偿偏心误差,有效抑制离心机误差对测试精度的影响,保证了PIGA的输出精度达到10-6rad/s以上。仿真结果表明该方法可以将PIGA二次项系数的标定不确定量级从10-6降低到10-7,对其他PIGA的非线性误差项系数的标定不确定度量级也达到10-6,PIGA的标定精度达到1×10-7g/g。研究了PIGA在带反转平台精密离心机上的标定方法,这种离心机不仅可以通过反转平台位置模式提供常值向心加速度,还可通过反转平台同步反转模式提供谐波比力输入。本文根据这两种模式分别计算了PIGA的3个输入基准轴的精确输入量,建立了PIGA的误差标定模型,通过结合两种模式的优点提出了PIGA的序贯标定方法,使PIGA通过一次安装即可辨识出所有非线性误差项。实验结果表明,该方法可以准确标定PIGA的非线性误差项,标定不确定度量级均达到10-6,其中同步反转测试的标定精度提高到了10-7。针对PIGA同步反转测试的进动整周测试时间过长的缺点,文中也给出了一种PIGA倾斜安装姿态的标定方法,使PIGA输入轴同时敏感谐波比力输入和重力加速度分量。仿真结果表明,该方法能够在保证标定精度的同时大幅缩短测试时间。研究了PIGA在精密线振动台上的标定方法,精密线振动台同样可以产生谐波比力输入,但其结构比带反转平台的精密离心机简单,且输入角速度干扰更少。通过对PIGA输入量的精确计算和线振动台相关误差的准确测量,建立了PIGA在线振动台上测试的误差标定模型。通过对线振动台振动整周和PIGA进动整周两种标定方法的分析,设计了PIGA的4状态进动整周标定方法。通过对线振动台未振动整周产生的误差进误差补偿,利用PIGA正倒置的线振动和静止4种状态可以实现对PIGA的二次项和三次项的快速标定。针对4状态测试无法标定交叉二次项的缺陷,提出了利用分度机构定位的9位置进动整周标定方法,该方法能够精确标定PIGA的二次项、交叉二次项和三次项。仿真结果表明,两种进动整周标定方法均能够更准确辨识非线性误差项系数,相比PIGA线振动整周测试,可以将标定不确定度量级从10-7降低到了10-8。
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