Part+2+水平对准及陀螺系列实验

《仪器光电综合实验》水平对准及陀螺系列实验报告姓名：彭小镔学号：12171038北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院2015年9月－2－实验一：水平对准实验1、实验目的利用加速度计进行水平对准，掌握加速度计输出信号的内涵，水平对准的基本原理及方法。2、实验系统组成双轴位置转台、MEMS加速度计、稳压电源、数据采集系统。3、实验内容利用加速度计敏感地球重力加速度分量，计算水平姿态角，实现水平对准。实验内容主要包括：在双轴位置转台上安装加速度计；加速度计输出信号采集；加速度计信号处理；水平姿态角计算。4、实验原理（1）加速度计测角原理加速度计是惯性导航与惯性制导系统的重要敏感元件。其输出的是比力信号，比力信号中包括运动加速度和引力加速度两部分，其数值为运动加速度与引力加速度之差。其中运动加速度反映了物体运动状态（速度）变化，而引力加速度是物体在万有引力作用下产生的加速度（如近地物体受到重力加速度）。导航定位时是利用加速度计输出信号中的运动加速度进行积分计算速度与位置，引力加速度做为有害加速度补偿掉。在用加速度进行水平对准时，则把运动加速度做为有害加速度，而利用引力加速度与重力加速度的比值还计算水平姿态角。通常加速度计输出对应一定的电压，表示为：UA(f)UA(0)kAfkAfA(g)kAA（1）式中UA(f)是载体加速度f对应的加速度计输出电压，UA(0)是f为零时的加速度计输出电压，kA是加速度计标度因数，fA(g)是与加速度有关的误差项，A是加速度计的随机误差。fA(g)表示与比力有关的加速度计输出误差函数，包括与比力的一次方或多次方的关系，反映了加速度计输出与比力的关系。本书不研究此项误差。因此，（1）式简化为：－3－UA(f)UA(0)kAfkAA（2）由式（2）得比力：fUAUA(0)kA（3）对于数字输出的加速度计，传感器内部已经利用标度因数对加速度计模拟输出进行了量化，直接输出比力值。f测量f0＋f真值＋A（4）f0是加速度计的常值偏置，物理意义是比力真值为零时，加速度主的输出。其值与UA(0)对应，且UA(0)kAf0（5）加速度计输出的比力中包含了运动加速度和引力加速度两部分：f测量f运动+f引力（6）当加速度计静止或匀速运动时，运动加速度为零，加速度计输出的是引力加速度。因此，可根据其输出信号与重力矢量间关系计算水平姿态角。其测角原理如图1所示。图1加速度计测角原理当加速度测量轴与水平面有角度时，有f测量gsin()(7)那么水平姿态角可表示为：arcsin(f测量)g在为小角度时，式（7）可近似为：f(8)测量g(9)到此即实现了水平对准。但f测量中包括了加速度计的常值偏置。需要把其测试出补偿掉。加速度计的常A－4－U值偏置计算方法为：U(0)1(UA2AA（10）f0上两式中为任一角度。（2）加速度计参数1(ff)2（11）1）PA-LAMI型加速度计原理加速度计选用PA-LAMI系列低噪声加速度传感器是建造在硅晶片顶部的表面MEMS多硅结构。多晶硅簧片悬浮在晶片表面的结构，并提供一个克服加速度感应力的阻力。用包含两个独立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的差动电容来测量比例于加速度的多硅结构偏转，从而产生电压输出信号。此电压信号即代表了加速度计输出的比力。2）PA-LAMI型加速度计技术参数测量范围：±2g频响：400Hz零g偏置电压：2.5±0.1V标度因数：300mV／ｇ（数字量已经完成量化，直接输出经力值（单位g），因此标度因数是1，确切地说是加速度计标度因数的修正系数）满量程输出：0~5V供电电压：5±5%VDC输入电流：10mA使用温度：-55to+125°C耐加速度：0.1ms2000g5、主要实验设备介绍水平对准实验的主要设备是双轴位置转台（可倾斜回转工作台）TSK，如下图所示。)－5－图2双轴位置转台双轴位置转台具有方位和水平两个转动自由度。其中手轮1用于调节方位角度，手轮2用于调节水平角度。6、实验步骤（1）教师讲解加速度计的基本原理水平对准的基本原理加速度测试设备的功能及分类加速度计的基本误差模型及性能指标（2）操作演示演示测量系统功能及使用方法双轴位置转台的操作（3）学生操作1）测试前工作把加速度计安装到双轴位置转台上。连接加速度计的各信号与电源线手轮1手轮2－6－测试加速度电缆是正常连接检查加速度计5伏电源是否正常启动数据采集与测试系统并检查是否正常，正常后关闭2）对准实验将转台调到水平（双轴转台的水平零位）启动数据采集与测试系统转动双轴转台方位轴，在0度、90度、180度与270度，分别采集并存储实验数据，数据采集时间1分钟左右。利用0度、180度或90度、270度的实验数据计算f0（测数字量）或UA(0)（测模拟量）。利用两相互垂直位置的实验数据计算水平姿态角1、2。7、实验结果与数据处理（1）－7－实验二：陀螺测角实验1、实验目的通过在速率位置转台上陀螺仪测角实验，让学生掌握陀螺仪的原理并深入理解陀螺仪的功能。2、实验系统组成单轴速率位置转台、MEMS陀螺仪、稳压电源、数据采集系统。3、实验内容陀螺零偏测试；利用速率位置转台产生基准角速度和相应的角位置，同时采集陀螺仪输出数据，并存储；对陀螺输出数据进行预处理；把陀螺输出信号积分计算旋转角度；把陀螺积分角度与转台上给出的角度进行对比，并进行误差分析。4、实验原理（1）惯性导航简介组成惯性导航系统的设备都安装在载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航是依靠测量载体（飞机、舰船、火箭等）的加速度（惯性），推算出载体的瞬时速度和位置，并依靠测量载体相对惯性空间的角速度来建立基准坐标系，完成姿态测量，并实现速度和位置在导航坐标系上的分解，从而实现载体的导航定位。其中陀螺仪输出信号用于进行姿态计算和建立坐标系基准，是影响惯性导航系统精度的关键因素。（2）陀螺仪测角原理陀螺仪测量载体相对惯性空间的角速度，是角速率传感器，通常输出与角速率对应的电压信号。也有的陀螺输出频率信号（如激光陀螺）和电压信号（把模拟电压数字化）。以电压表示的陀螺输出为：UG()UG(0)kGkGfG(a)kGG（1）式中UG()是载体角速度对应的陀螺输出电压，UG(0)是角速度为零时的陀螺输出电压，即零偏，kG是陀螺标度因数，fG(a)是与比力有关的误差项，G是陀螺的随机误差。fG(a)表示与比力有关的陀螺输出－8－U误差函数，包括与比力的一次方或多次方的关系，反映了陀螺输出与比力的关系。本实验不研究此项误差。因此，（1）式简化为：UGUG(0)kGkGG（2）由（2）式得角速度UGUG(0)kG（3）对于数字输出的陀螺仪，传感器内部已经利用标度因数对陀螺仪模拟输出进行了量化，直接输出角速度值。测量0＋真值＋G（4）0是陀螺仪的零偏，物理意义是输入角速度为零时，陀螺仪的输出。其值与UG(0)对应，且UG(0)kG0（5）对于平面转台来说，陀螺仪输出角速度的积分就是角度。0dt（6）在对式（6）进行积分时，需要把角速度中的陀螺零偏补偿掉。陀螺零偏的计算方法为：U(0)1(UG2GG)（7）1()（8）02上两式中为任一角速度。（3）陀螺仪主要技术指标1）MG310系列陀螺仪原理MG310系列角速率传感器依据谐振器陀螺原理工作。两个多晶硅敏感结构，每一个含有一个高频振动的框架，这个框架被静电式地驱动而谐振，形成了必要的速度元件。框架的两个外端组成一个电容敏感结构，以敏感有角速率时产生的科里奥利运动并产生电信号，该电信号被输送到放大级和解调级，从而输出正比于角速率的电信号。2）MG310主要性能指标供电要求：输入电压（Vdc）+5±5％Vdc；输入电流（mA）≤8mAG－9－性能参数：测量范围±300o/s标度因数：3mV/o/s（数字量已经完成量化，直接输出角速度值，因此标度因数是1，确切地说是陀螺标度因数的修正系数）偏置电压（V）2.5±0.1V偏置稳定性（o/s）：短期(1小时)≤0.05o/s；长期≤1o/s非线性度(％F.R)≤0.5％F.R带宽(HZ)40HZ启动时间(ms)≤35ms可靠性（小时）MTBF10万小时工作环境：工作温度(℃)-45～+85℃；储存温度(℃)-55～+100℃承受加速度：不供电、任何轴，0.5ms(g)2000g；供电、任何轴，0.5ms(g)2000g5、主要实验设备介绍陀螺测角实验的主要实验设备是单轴速率转台TZS-74ⅡA，如图1、图2所示。其中，图1单轴速率转台台体，图2是单轴速率转台控制器。－10－图1单轴速率转台台体图2单轴速率转台控制器通过转台控制器，设定转台转动角速度。具体操作方法见附件：转台操作说明书。－11－6、实验步骤（1）教师讲解陀螺仪的基本原理陀螺测角的基本原理陀螺测试设备的功能及分类陀螺仪的基本误差模型及性能指标（5）操作演示演示测量系统功能及使用方法速率转台的操作（6）学生操作1）测试前工作把陀螺仪安装到转台上。安装时，使其敏感轴垂直于工作台面。连接陀螺仪的各信号与电源线测试陀螺仪电缆是正常连接检查加速度计5伏电源是否正常启动数据采集与测试系统并检查是否正常，正常后关闭2）陀螺测角实验接通陀螺电源在转台控制系统上设定一个角速度下，在此角速度下正反转，并存储数据。此数据用于计算0（测数字量）或UG(0)（测模拟量）。以一较小的角速度旋转一周或两周，记录数据。此数据用于计算转角。（7）完成实验报告对测试的实验数据进行处理，完成实验报告。