北航 - 仪器光电综合实验报告 - 水平对准及陀螺测角实验

仪器科学与光电工程学院

水平对准及陀螺测角实

验

仪器光电综合实验实验报告

2012/4/20

《仪器光电综合实验》实验报告

水平对准实验

实验时间：2012年4月20日星期五

实验地点:新主楼B628

（一）

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。 （二）

实验原理

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?fA(g)??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：

UA(f)?UA(0)?KAf??A（2）

由式（2）得比力：

f?UA?UA(0)KA??A（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）

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《仪器光电综合实验》实验报告

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f0是加速度计的常值偏置，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。其测角原理下图所示。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)（8）

在为小角度时，式（8）可近似为：

??f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。加速度计的常值偏置计算方法为：

UA(0)?f0?1212(UA???UA)??) ?f??(f??上两式中?为任一角度。 （三）

实验仪器

双轴位置转台、MEMS加速度计、稳压电源、数据采集系统。 （四）

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。 （五）

实验步骤

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（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；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0f（测数字量）或(0)AU（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1θ、2θ。 （六）

实验结果及数据处理

实测前已将转台调到对应刻度水平位置:

1．

加速度数据采集及处理

对采集到的四组加速度数据,绘出图形进行分析：

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