基于加速度计的坐标系匹配方法研究

　　0　引　言

　　目前,无论是在捷联还是平台惯性测量系统中,加速度计都是必不可少的敏感器件。在实际应用中,加速度计的安装误差是影响系统测量精度的一个重要因素,虽然可以通过补偿的方法对安装误差进行校正,但其补偿精度又主要取决于安装精度本身。而且,大多数加速度计传感器被封装,这就无法用机械或光学的方法进行坐标系匹配。本文提出了基于加速度计的传感器安装方法,实现了传感器坐标系与载体坐标系的匹配。该方法操作简便、精度可靠,在加速度计的应用研究中具有重要的意义。

　　1　基于加速度计的坐标系匹配方法的原理及特点

　　当前,常用的加速度计安装方法^[1]有: (1)用钢螺栓直接将加速度计固定到测点上; (2)用一层薄蜡把加速度计粘在测点上; (3)运用绝缘螺栓并加云母垫圈; (4)用双面胶带将加速度粘在测点上。但是,方法一要求测点表面足够光滑;方法二谐振频率有少许下降,且要求测点温度必须在40℃以下;方法三要求云母片很薄;方法四将导致加速度计的频率范围明显下降。另外,它们都必须通过机械或光学的方法进行坐标系匹配。

　　基于加速度计的坐标系匹配方法的基本原理是:首先,通过水准仪调节被测载体至水平;安装传感器,连接计算机,调节传感器,使输出的纵倾角、横倾角为0°,这时,传感器坐标系的Z轴与载体坐标系的Z轴就得到了匹配;然后,使载体绕纵轴前倾一定角度,再旋转传感器,使输出的横倾角为0°,纵倾角的输出值等于载体前倾的角度值。这样,就达到了被测载体坐标系与传感器坐标系的匹配。这种新的坐标系匹配方法经济实用、操作简单、精度可靠、应用范围广,在提高传感器测量精度的研究中将具有重要的意义。

　　由这种新的坐标系匹配方法的原理可知,加速度计的测角精度是影响其安装精度的一个关键因素,下面就加速度计的测角问题做进一步的探讨。

　　2　载体倾斜角度的测量

　　2.1　加速度计测量倾斜角的原理

　　建立如图1所示的以载体轴向为基准的三维正交重力加速度计的测量系统坐标系,竖直方向是重力方向,所以,通过测量实际重力在载体轴向的分量值,进行三分量的合成计算,便可准确地计算出载体的倾斜度。与文献[1]不同,在试验和应用中,采用两加速度计,用以感应重力在X,Y轴的分量,通过解算,即可准确地计算出载体的倾斜度。依据传感器的特性和信号测量的要求,斜度测量过程分三部分:信号测量、模数转换、数值计算。信号测量是将传感器的倾斜状态(倾角)转换成电信号,便于仪器测量。

　　由重力加速度计原理可得信号测量方程为