基于RTX实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统及方法与流程

基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统及方法
技术领域
1.本发明属于航空航天惯性技术领域，涉及一种三轴惯组自动标定方法及系统，特别是一种基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统及方法。


背景技术：

2.惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)是捷联惯导系统的核心部件，其误差包含确定性误差和随机误差两部分，其中确定性误差即系统误差约占总误差的90％左右，是捷联惯导系统最主要的误差源。因此，捷联惯导在使用前必须通过标定试验确定出imu的各项误差系数，并在捷联惯导系统中进行补偿。
3.常规的标定方法是：基于三轴转台分别针对惯组的三轴速率陀螺和三轴加速度计进行标定，这种方法一般至少需要2个人进行协同作业，其中1人操作转台，另外1人进行惯性器件数据的记录与存储，而且需要在试验后进行数据的离线分析与解算。这种传统的惯组标定方法是一个非常细致且繁重的工作，耗费较多的人力和时间成本。
4.为了提高标定效率，晁代宏等发明了“一种基于labview的捷联惯组标定系统的实现方法”(申请号201310068867.6)，该方法可以一定程度提高惯组标定的自动化程度，节省标定试验所需的人力和时间。然而，其主要还存在两点不足：其一，由于采用了windows操作系统和labview开发平台，该系统本质上是一个非实时系统，对于需要长时间运行的标定试验而言，这种系统对于转台三轴实际转速和惯组数据的实时采集往往实时性无法保证；其二，该系统主要通过串口通信实现转台的驱动，这使其无法支持远程自动标定，因此其用于转台控制和数据采集的计算机需要和三轴转台放在一起，这不利于保证试验安全。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明采用rtx实时系统保证惯组标定系统的实时性，采用反射内存实现低延时远程实时通信，在此基础上开发一种三轴惯组远程自动标定系统及方法，以实现三轴惯组的远程自动化标定，在保证标定精度的前提下提高标定效率，提高效费比。
7.技术方案
8.一种基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统，其特征在于包括惯组、三轴转台台体、转台控制柜、仿真计算机、主控计算机和光纤反射内存网络；
9.所述惯组为待标定的三轴惯性测量组合，安装于三轴转台台体上，惯性测量组合中陀螺仪的测量输出为转台的相应轴的转动角速度，加速度计的测量输出为惯性测量组合三轴的加速度分量；
10.所述三轴转台台体被用来模拟载体，在标定过程中用于向惯组相关敏感轴提供一定的姿态角速度输入；
11.所述转台控制柜实时控制转台，基于光纤反射内存网中的转台控制指令实时驱动转台的运动，同时将转台实时的位置和速度信息反馈至光纤反射内存网络中；
12.所述仿真计算机通过rs232采集惯组测量输出数据，并将该数据实时转存至光纤反射内存网络；
13.所述主控计算机用于实现惯组数据从光纤网读取和保存，转台的实时控制，惯组的标定解算；
14.所述光纤反射内存网络由vmic5595反射内存交换机、vmic5565光纤反射内存卡以及光纤网线构成星型网络，其中vmic5565光纤反射内存卡安装于各子系统计算机的pci总线中，各子系统计算机通过光纤网线连接于反射内存交换机，实现纳秒级延迟的通信。
15.一种基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定方法，其特征在于包括速率陀螺的自动标定和加速度计的自动标定；
16.所述的速率陀螺的自动标定：主控计算机根据设置的“转动角速度”序列和“转动时间”序列，以角速度控制模式通过反射内存实现对转台的实时控制；
17.(1)仿真计算机基于rtx的精确定时器采用rs232串口从惯组读取速率陀螺的输出值，并定时将读取的数据写入本地的vmic5565反射内存卡；
18.(2)主控计算机从本地的vmic5565反射内存卡中读取惯组数据、转台的角位置和角速度反馈值；
19.(3)对存储的惯组数据和转台角速度指令序列进行时间对齐，并以一个转动时间内数据的平均值作为该速率下陀螺仪的实际输出；
20.(4)根据以下公式计算速率陀螺的标定结果：
21.1)计算标度因数
22.x＝(a
t
a)-1 a
tb23.其中，x＝[k f0]
t
，b＝[f
1 f2ꢀ…ꢀfn
]
t
，k是标定因数，f0是拟合零位，ωi,i＝1,
…
,n是测试序列中的第i个输入角速度，,n是测试序列中的第i个输入角速度，是第i个测试角速度下陀螺仪实际输出的均值；
[0024]
2)计算标度因数非线性度
[0025]
根据测出的标度因数k和拟合零位f0，用拟合直线表示光纤陀螺仪输入输出关系：
[0026][0027]
按下式计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：
[0028][0029]
据此，标度因数的非线性度计算如下：
[0030]kn
＝max|αi|
[0031]
3)计算标度因数不对称性
[0032]
按照测标度因数的方法分别求出正转、反转输入角速度范围内速率陀螺仪标度因数及其平均值；按以下两公式计算：
[0033][0034][0035]
其中，k

表示只用正转角速度求出的标度因数，k-表示只用反转角速度求出的标度因数；
[0036]
4)计算标度因数重复性
[0037][0038]
所述的加速度计的自动标定：主控计算机根据用户设置的“转动角度”序列和“转动时间”序列，以角度控制模式通过反射内存实现对转台的实时控制；
[0039]
根据以下公式计算x轴加速度计的标定结果：
[0040]
x
′
＝(a
′
ta′
)-1 a
′
tb′
[0041]
其中，x
′
＝[k
ax s
axy s
axz s
ax2 a
x0
]
t
，b＝[a
x
(1) a
x
(2)
ꢀ…ꢀax
(24)]
t
，a
x
(i)为第i个位置加速度计测量值的均值；矩阵a
′
中的各元素计算如下：
[0042][0043]
g为当地重力加速度；
[0044]
同理，可求得y轴和z轴的相关系数。
[0045]
本发明进一步的技术方案：所述的“转动角速度”序列可设置如下：
[0046]
ωi＝
±
400
°
/s,
±
250
°
/s,
±
100
°
/s,
±
80
°
/s,
±
60
°
/s,
±
40
°
/s,
±
20
°
/s,
±
10
°
/s,
±5°
/s,
±1°
/s,
±
0.1
°
/s,0
°
/s
[0047]
本发明进一步的技术方案：所述的加速度计的自动标定记载的“转动角度”序列和“转动时间”序列具体如下：
[0048]
(1)调整转台使加速度计敏感轴：x轴指向北、y轴指向西、z轴指向天，将惯组依次绕x轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟；
[0049]
(2)调整转台使加速度计敏感轴：x轴指向天、y轴指向北、z轴指向西，将惯组依次绕y轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟；
[0050]
(3)调整转台使加速度计敏感轴：x轴指向西、y轴指向天、z轴指向北，将惯组依次绕z轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟。
[0051]
有益效果
[0052]
本发明提出的一种基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统及方法，基于rtx实时系统和光纤反射内存网结合惯组误差标定原理构建了一套三轴惯组远程自动标定系统及方法，在保证标定精度的前提下有效提升了惯性器件测试效率，该方法及系统适合于各类惯组的自动标定。
附图说明
[0053]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0054]
图1是用于速度陀螺标定角速度驱动指令序列；
[0055]
图2是24位置法初始位置指向示意图；
[0056]
图3是本发明的三轴惯组远程自动标定系统的组成结构图；
[0057]
图4是rtx系统下反射内存网程序流程；
[0058]
图5是仿真计算机惯组采集软件界面；
[0059]
图6是整个自动标定系统运行的基本流程；
[0060]
图7是主控计算机惯组参数输入对话框界面；
[0061]
图8是主控计算机软件主界面；
[0062]
图9是主控计算机转台控制流程设置对话框；
[0063]
图10是陀螺仪x轴标度因数解算结果图；
[0064]
图11是陀螺仪x轴标度因数重复性解算结果图；
[0065]
图12是加速度计24位置解算结果图。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0067]
基于rtx实时系统和反射内存的三轴惯组远程自动标定系统包括：
[0068]
惯组、三轴转台台体、转台控制柜、仿真计算机、主控计算机、反射内存网络等几部分组成。
[0069]
所述三轴转台台体被用来模拟载体，在标定过程中用于向惯组三个敏感轴提供一定的姿态角速度输入和加速度输入；
[0070]
所述惯组为待标定的三轴惯性测量组合，被安装于三轴转台台体上，惯性测量组合中陀螺仪的测量输出为转台的相应轴的转动角速度，加速度计的测量输出为惯性测量组合三轴的加速度分量；
[0071]
所述转台控制柜主要是实现转台系统的实时控制，它可以基于反射内存网中的转
台控制指令实时驱动转台的运动，同时将转台实时的位置和速度信息反馈至反射内存网中；
[0072]
所述仿真计算机安装有windows xp操作系统和rtx实时系统，并且安装有vmic5565反射内存卡，通过rs232采集惯组测量输出数据，并将该数据实时转存至反射内存网；
[0073]
所述主控计算机安装有windows xp操作系统和rtx实时系统，并且安装有vmic5565反射内存卡，主要用于实现惯组数据从反射内存网读取和保存，转台的实时控制，惯组的标定解算等功能；
[0074]
所述反射内存网主要由vmic5595反射内存交换机、vmic5565反射内存卡以及光纤网线构成星型网络，其中vmic5565反射内存卡安装于各子系统计算机的pci总线中，各子系统通过光纤网线连接于反射内存交换机，实现纳秒级延迟的通信。
[0075]
利用上述三轴惯组远程自动标定系统，本发明实现了一种全捷联导弹制导控制系统双转台半实物仿真方法，包括以下步骤：
[0076]
步骤1：建立惯性器件的静态数学模型，主要包括陀螺仪的静态数学模型以及加速度计的静态数学模型。
[0077]
(1)陀螺仪的静态数学模型
[0078]
陀螺仪的误差对捷联惯导系统的姿态误差产生直接影响，其主要表现是陀螺仪固定常值漂移、陀螺仪的安装误差的影响。首先建立含有4个误差项的静态误差模型：
[0079][0080]
其中，w
x
，wy，wz分别为陀螺仪三轴上输出角速度；w
x0
，w
y0
，w
z0
分别为陀螺仪三轴零偏；k
x
，ky，kz分别为陀螺仪三轴标度因数；e
xy
,e
xz
,e
yx
,e
yz
,e
zx
,e
zy
分别为陀螺仪安装误差系数；ω
x
，ωy，ωz分别为陀螺仪三轴上的输入角速度；ξ
x
，ξy，ξz为随机漂移。
[0081]
(2)加速度计的静态数学模型
[0082]
理论上讲，误差数学模型最好是阶次高，误差项数多，对误差的描述越精确，补偿效果越好，然而要很难通过一定的试验计算出误差系数，所以综合考虑补偿精度和试验难度，采用如下加速度计静态误差模型方程：
[0083][0084]
式中，a
x
,ay,az为加速度计的测量输出值；k
ax
,k
ay
,k
az
为标度因数；a
x0
,a
y0
,a
z0
为加速度计零偏；s
axy
,s
axz
,s
ayx
,s
ayz
,s
azx
,s
azy
分别为加速度计的安装误差系数；s
ax2
,s
ay2
,s
az2
分别为与加速度平方项有关的误差系数；ξ
x
，ξy，ξz为随机漂移。
[0085]
步骤2：开启三轴转台，将转台的旋转轴置为垂直，将惯组安装于三轴转台台面上，使待测轴平行于旋转轴，记录此时转台的绝对位置“p0”作为标定的起始位置；
[0086]
步骤3：进行全系统通信状态检查确认。将惯性测量组合安装在转台上，确认仿真计算机和惯性测量组合串口通信正常，确认仿真计算机、转台控制柜和主控计算机之间的
反射内存网通信正常，然后将转台切换到“远程控制”模式；
[0087]
步骤4：接通惯性测量组合电源进行预热，时长2分钟，使其输出稳定；
[0088]
步骤5：进行速率陀螺的自动标定。主控计算机软件根据用户设置的“转动角速度”序列和“转动时间”序列，以角速度控制模式通过反射内存实现对转台的实时控制。
[0089]
(1)典型的“转动角速度”序列可设置如下：
[0090]
ωi＝
±
400
°
/s,
±
250
°
/s,
±
100
°
/s,
±
80
°
/s,
±
60
°
/s,
±
40
°
/s,
±
20
°
/s,
±
10
°
/s,
±5°
/s,
±1°
/s,
±
0.1
°
/s,0
°
/s
[0091]
通常转动时间序列规定在每个速率状态稳定采样时间为2min。在此过程中，主控计算机软件以1ms定时器向转台相应轴角速度驱动的反射内存网地址中写入角速度驱动指令序列，如图1所示。当所有的角速度驱动指令已经写入反射内存网时，转台恰好处于静止状态，此时将转台切换回“本地控制”模式。
[0092]
(2)仿真计算机基于rtx的精确定时器采用rs232串口从惯组读取速率陀螺的输出值，并以1ms定时器将读取的数据写入本地的vmic5565反射内存卡。
[0093]
(3)主控计算机以1ms定时器从本地的vmic5565反射内存卡中读取惯组数据、转台的角位置和角速度反馈值；
[0094]
(4)对存储的惯组数据和转台角速度指令序列进行时间对齐，从中截取每个角速度稳定运行的2min数据，并以每个两分钟数据的平均值作为该速率下陀螺仪的实际输出；
[0095]
(5)根据以下公式计算速率陀螺的标定结果：
[0096]
1)计算标度因数
[0097]
x＝(a
t
a)-1 a
tbꢀꢀꢀ
(3)
[0098]
其中，x-[k f0]
t
，b＝[f
1 f2ꢀ…ꢀfn
]
t
，k是标定因数，f0是拟合零位，ωi,i＝1,
…
,n是测试序列中的第i个输入角速度，,n是测试序列中的第i个输入角速度，是第i个测试角速度下陀螺仪实际输出的均值。
[0099]
2)计算标度因数非线性度
[0100]
根据测出的标度因数k和拟合零位f0，用拟合直线表示光纤陀螺仪输入输出关系：
[0101][0102]
按下式计算光纤陀螺仪输出特性的逐点非线性偏差：
[0103][0104]
据此，标度因数的非线性度计算如下：
[0105]kn
＝max|αi|
ꢀꢀꢀ
(6)
[0106]
3)计算标度因数不对称性
[0107]
按照测标度因数的方法分别求出正转、反转输入角速度范围内速率陀螺仪标度因数及其平均值。按以下两公式计算：
[0108]
[0109][0110]
其中，k

表示只用正转角速度求出的标度因数，k
_
表示只用反转角速度求出的标度因数。
[0111]
4)计算标度因数重复性
[0112][0113]
步骤6：进行加速度计的自动标定。加速度计标定采用24位置法，共分为3组，每组的初始位置如图2所示。主控计算机根据用户设置的“转动角度”序列和“转动时间”序列，以角度控制模式通过反射内存实现对转台的实时控制。具体指令设计如下：
[0114]
(1)调整转台使加速度计敏感轴指向如图2(a)所示，x轴指向北、y轴指向西、z轴指向天，将惯组依次绕x轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟；
[0115]
(2)调整转台使加速度计敏感轴指向如图2(b)所示，x轴指向天、y轴指向北、z轴指向西，将惯组依次绕y轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟；
[0116]
(3)调整转台使加速度计敏感轴指向如图2(c)所示，x轴指向西、y轴指向天、z轴指向北，将惯组依次绕z轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟；
[0117]
(4)根据以下公式计算x轴加速度计的标定结果：
[0118]
x
′
＝(a
′
ta′
)-1 a
′
tb′ꢀꢀꢀ
(10)
[0119]
其中，x
′
＝[k
ax s
axy s
axz s
ax2 a
x0
]
t
，b＝[a
x
(1) a
x
(2)
ꢀ…ꢀax
(24)]
t
，a
x
(i)为第i个位置加速度计测量值的均值；矩阵a
′
中的各元素计算如下：
[0120][0121]
g为当地重力加速度。
[0122]
同理，可求得y轴和z轴的相关系数。
[0123]
实施例1：
[0124]
如图3所示，本发明的三轴惯组远程自动标定系统，其主要包括惯组、三轴转台台体、转台控制柜、仿真计算机、主控计算机、反射内存网络等几部分组成。其中，三轴转台台
体被用来模拟载体，在标定过程中用于向惯组相关敏感轴提供一定的姿态角速度输入；惯组为待标定的三轴惯性测量组合，被安装于三轴转台台体上；转台控制柜主要是实现转台系统的实时控制，它可以基于远程转台控制指令实时驱动转台的运动，同时反馈转台实时的位置和速度信息；仿真计算机通过rs232采集惯组测量输出数据，同时将该数据实时转存至光纤反射内存网；主控计算机根据用户设置实现对转台的实时控制，同时从光纤网读取和保存惯组数据，并进行标定解算；反射内存网络主要由vmic5595反射内存交换机、vmic5565反射内存卡以及光纤网线构成星型网络。
[0125]
基于以上系统组成，三轴惯组远程自动标定方法，进行三轴惯组陀螺仪标定包括如下步骤：
[0126]
(1)开启转台，将转台的旋转轴置为垂直。将惯组安装在转台上，使待测轴平行于旋转轴，记录这时转台的绝对位置作为标定的起始位置“p0”；
[0127]
(2)将惯性测量组合安装在转台上，确认仿真计算机和惯性测量组合串口通信正常，确认仿真计算机、转台控制柜和主控计算机之间的反射内存网通信正常，然后将转台切换到“远程控制”模式；
[0128]
(3)接通惯性测量组合电源进行预热，时长2分钟，使其输出稳定；
[0129]
(4)进行速率陀螺的自动标定。主控计算机软件根据用户设置的“转动角速度”序列和“转动时间”序列，以角速度控制模式通过反射内存实现对转台的实时控制。典型的“转动角速度”序列可设置如下：
[0130]
ωi＝
±
400
°
/s,
±
250
°
/s,
±
100
°
/s,
±
80
°
/s,
±
60
°
/s,
±
40
°
/s,
±
20
°
/s,
±
10
°
/s,
±5°
/s,
±1°
/s,
±
0.1
°
/s,0
°
/s
[0131]
通常转动时间序列规定在每个速率状态稳定采样时间为2min。在此过程中，主控计算机软件以1ms定时器向转台相应轴角速度驱动的反射内存网地址中写入角速度驱动指令序列，如图1所示。当所有的角速度驱动指令已经写入反射内存网时，转台恰好处于静止状态，此时将转台切换回“本地控制”模式，整个运行过程中数据都存入主控计算机中；
[0132]
(5)切断陀螺仪电源，关闭转台；
[0133]
(6)在主界面(如图8所示)中点击“惯组标定解算”按钮，打开标定解算对话框，将主控计算机保存的数据导入，即可实现标定自动解算。对某速率陀螺的标定结果如图10和图11所示，分别为陀螺仪x轴标度因数解算结果和陀螺仪x轴标度因数重复性解算结果。
[0134]
实施例2：
[0135]
基于所提出的三轴惯组远程自动标定方法和系统，进行三轴惯组加速度计标定包括如下步骤：
[0136]
(1)开启转台，将惯组安装在转台上，调整转台使惯组三轴指向如图2(a)所示，记录这时转台的绝对位置。再分别调整转台使惯组三轴指向如图2(b)和2(c)所示，记录这时转台的绝对位置；
[0137]
(2)将惯组与输出接收计算机连接好，接通惯组电源，将惯性器件预热一段时间，使其输出稳定；
[0138]
(3)用主控计算机控制转台，以图2(a)所示姿态为起点，将惯组依次绕x轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟，三轴加速度计的测量数据自动存储于主控计算机中；
[0139]
(4)用主控计算机控制转台，以图2(b)所示姿态为起点，将惯组依次绕y轴逆时针方向旋转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟，三轴加速度计的测量数据自动存储于主控计算机中；
[0140]
(5)用主控计算机控制转台，以图2(c)所示姿态为起点，将惯组依次绕z轴逆时针方向转45
°
，共旋转7次，并且在各个方位保存惯组输出，每个方位记录保存2分钟，三轴加速度计的测量数据自动存储于主控计算机中；
[0141]
(6)切断加速度计电源，关闭转台；
[0142]
(7)在主界面(如图8所示)点击“惯组标定解算”按钮，打开标定解算对话框，将保存的数据导入，即可实现加速度计的自动标定解算。对某加速度计的自动标定结果展示如图12所示。
[0143]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。