[发明专利]一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构及其标定方法

说明书

本发明提供一种基于MEMS导航系统的双轴转位机构及其标定方法，可绕着两个相互垂直的轴进行360°的旋转，可保证MEMS惯性器件进行全方位的数据测量，可完成MEMS惯导系统的双轴旋转调制技术以及外场标定技术，可极大的提高导航系统的位置、速度和姿态精度。本发明主要由旋转平台模块、底部支撑模块、电路模块等组成，是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。

技术领域

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

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，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(InertialMeasurement 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。

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。

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。

上述技术都是在双轴转位机构的支持下展开的。

发明内容

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。