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惯性器件与系统测试技术实验教学大纲一、实验基本信息课程编号：201404116中文名称：惯性器件与系统测试技术英文名称：Inertial sensors and system testing课程性质：专业核心课程面向专业：测控技术与仪器开设学期：6课程总学时：40实验学时：8是否独立设课：否二、实验目的和任务目标1：通过具体的实践测量和相关实验，能达到理论联系实际、提高动手能力和应用技能，培养观察问题、分析问题及独立思考的能力，能够就复杂工程问题撰写报告和设计文稿，与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。
（对应指标点10-1）通过本课程的学习，使学生掌握惯性器件及系统的测试原理、测试方法，了解测试设备，具备数据分析及处理能力，培养学生对惯性器件及系统的分析能力、研究能力、测试能力、工程技术能力。
三、实验教学基本要求1、熟悉惯性器件及系统测试设备的基本原理，掌握惯性器件及系统测试方法，具备数据分析及误差处理能力；培养学生具备对惯性器件及系统的工程设计、测试、分析、研究等的科学素质；能够解决工程实际问题。
（对应目标1）四、试验教学内容、基本要求与学时分配（实验项目基本情况）五、实验教材（指导书）或网络资源[1]自编试验指导说明[2]惯导仪器测试与数据分析[M]．国防工业出版社，2012.[3]姜复兴．惯导测试设备原理与应用[M]．哈尔滨工业大学出版社，1998.[4]张天光译．捷联式惯性导航技术（第2版）[M]．国防工业出版社，2010.六、考核方式实验部分占课程总成绩的20%，共20分。
考核主要包括三个部分：预习情况、实验操作情况、实验报告情况，各占总体的20%、20%、60%。
0引言惯导系统是精确制导武器中不可或缺的重要组成部分，随着技术的发展，光纤陀螺已开始应用于现代惯导系统。
相比较而言，光纤陀螺惯导系统具有高可靠、长寿命、参数稳定性好、性能不受启动次数影响等特点，为惯性测量产品实现长期免标定、免维护创造了条件。
但光纤陀螺也有不足之处，例如其对温度等环境因素相对较敏感[1]。
因此，采用光纤陀螺的某惯性测量单元装配完成后需要在常温、高温、低温情况下对其标定、测试，然后将标定得到的参数写入惯性测量单元中，以提高惯导系统的精度。
惯性测量单元标定测试周期较长，一直是全弹生产的瓶颈之一。
因此，研究标定测试装夹方法，优化标定测试设备，提高标定测试效率，对全弹生产来说具有重要意义。
本文通过对惯性测量单元的标定测试装夹方法的作者简介院马宇洛(1975-)，男，高级工程师，硕士学位，从事惯性器件测试有关工作。
惯性测量单元标定测试装夹方法研究Research on Installation Method of Inertial Measurement Unit Calibration Test马宇洛（中国空空导弹研究院,河南洛阳471000）Ma Yu-luo (China Airborne Missle Academy,Henan Luoyang 471000）摘要：惯导系统是精确制导武器中不可或缺的重要组成部分，出于精度的考量，惯导系统中的惯性测量单元一般都要进行标定测试。
而惯性测量单元标定测试周期较长，一直是全弹生产的瓶颈之一。
因此，研究标定测试装夹方法，优化标定测试设备，提高标定测试效率，对全弹生产来说具有重要意义。
该文通过对惯性测量单元的标定测试所用的"单轴转台+翻转机构"的方式和"三轴转台"的方式研究对比发现，"三轴转台"的性能明显优于"单轴转台+翻转机构"的形式。
对三轴台装夹方式的选择中，从安装难度、台体设计难度、测试效率等方面的对比，最终选择两发产品头对背同向装夹方式。
一、惯性测量单元标定技术的重要性惯性测量单元的核心器件是陀螺和加速度计，陀螺敏感载体的角运动，加速度计敏感载体的线运动，惯性导航系统的精度很大程度上取决于陀螺和加速度计的精度。
对陀螺来说，不仅要测出微小的角位移变化，给出满足分辨率要求的响应信号，而且要将陀螺仪的漂移误差限制在尽量小的范围内。
加速度计同样要有很高的分辨率，要能清晰、精确地反映出从非常小到非常大的加速度，并给出与之相应的信号，同时还必须有尽可能小的、稳定的零位偏置。
目前，提高惯性器件和惯导系统的精度主要有两条途径：(1) 改进器件的结构及工艺，探索新型的惯性器件。
(2) 对惯性测量单元进行标定，建立误差模型，通过误差标定补偿来提高器件的实际使用精度和系统的导航精度。
仅靠改进设计来提高惯性器件精度在加工、制造、装配及调试中遇到的困难越来越多，成本也越来越高，因此是一项长周期，高风险的技术，而且只能做到有限的精度提升；而后者则可通过对惯性测量单元进行标定后求得软件补偿的参数，从而对导航测量单元的输出进行补偿以提高系统导航精度。
通过对惯性测量单元标定提高惯性器件的使用精度的技术途径大大降低惯导系统的成本，而且这种方法也使得惯性器件的设计思想由原来片面追求器件的绝对精度转为重点保证其性能稳定并减少随机误差，因此惯性测量单元的标定及补偿技术成为了提高惯导系统精度的关键技术之一。
二、惯性测量单元的元件标定随着惯性技术和光学陀螺的发展，光纤陀螺越来越多的被使用在惯性测量单元中。
相比于其他类型的陀螺，光纤陀螺内部没有运动部件，因此具有寿命长，可靠性好，重量轻等优点。
同时光纤陀螺的启动时间短，对机械环境的适应性好，动态范围宽。
但是光纤陀螺易受环境温度影响，构成光纤陀螺的主要器件如光纤线圈、集成光学器件、光源、耦合器等对温度较为敏感，所以当工作环境温度发生变化时，在陀螺的输出信号中将产生非互易相位误差，由温度变化造成的非互异性误差是导致光纤陀螺零位漂移和刻度系数不稳定的主要原因。
惯性实验的原理惯性实验是一种重要的物理实验，它可用于研究物体的惯性特性。
在这一实验中，我们通过观察物体的运动状态，来探究物体在外力作用下的惯性表现。
惯性实验的原理基于牛顿第一定律，也称作惯性定律。
牛顿第一定律指出：一个物体如果静止，将保持静止直到外力作用于其上；一个物体如果运动，将保持匀速直线运动直到外力作用于其上。
其基本观点是，物体在没有外力作用时，其运动状态（包括静止状态）将保持不变。
为了研究物体的惯性特性，我们可以进行以下几种惯性实验：1.静止实验：首先，我们将一个物体置于光滑平面上，并确保没有外力作用于其上。
在这种情况下，物体将保持静止。
因为没有外力作用于物体，所以物体的初始状态将得以保持，其位置和速度都不会发生变化。
2.运动实验：在这种实验中，我们将一个物体置于光滑平面上，并给予其一个初始速度。
然后，在物体运动的过程中，我们观察物体的运动轨迹和速度变化。
根据惯性定律，物体在没有外力作用时，将保持匀速直线运动。
因此，在这种实验中，我们期望物体会沿着直线运动，并且不会发生加速度的变化。
3.转动实验：在这种实验中，我们将一个刚体物体悬挂在固定的轴上，并使其发生转动。
然后，我们观察物体的转动过程，并记录下相关的数据。
根据惯性定律，一个物体在没有外力作用时将保持转动状态。
因此，在这种实验中，我们期望物体会保持相同的转速，并且不会发生转动加速度的变化。
以上实验主要依赖于实验装置的设计和实验数据的记录与处理。
为了准确地测量物体的位置、速度和加速度等参数，常用的仪器包括光电门、电子计时器、加速度计等。
通过利用这些仪器，我们可以获得物体运动的详细数据，以便分析和研究物体的惯性特性。
总而言之，惯性实验主要通过观察物体在没有外力作用时的运动状态，来研究物体的惯性特性。
这些实验可以验证牛顿第一定律，即物体在没有外力作用时将保持其初始状态。
通过实验数据的分析和处理，我们可以更深入地了解物体的惯性特性及其对物理学的意义。
惯组标定原理
惯组标定原理是指通过对惯性组件的测量和校准，确定其输出信号与物理量之间的准确关系。
惯性组件通常包括加速度计和陀螺仪，用于测量物体的加速度和角速度。
惯组标定的原理可以分为以下几个步骤：
1. 建立坐标系：首先需要确定一个适当的坐标系，用于描述物体的运动状态。
坐标系的选择取决于具体的应用场景。
2. 测量数据采集：通过将惯性组件安装在被测物体上，记录其输出信号随时间的变化。
这可以通过数据采集系统进行实时采集，或者通过记录仪等设备进行离线记录。
3. 数据处理：将采集到的数据进行处理，包括滤波、降噪、数据对齐等步骤，以获得准确的测量结果。
4. 校准模型建立：根据已知的标准测量数据，建立与输出信号之间的数学模型。
这可以通过回归分析、最小二乘法等统计方法进行。
5. 参数估计：利用建立的数学模型，对惯性组件的参数进行估计。
这可以通过最大似然估计、最小二乘法等方法进行。
6. 校准验证：通过将已经标定的惯性组件与标准测量设备进行比较，验证其准确性和可靠性。
惯组标定的目的是提高惯性组件的测量精度和准确性，以确保其在实际应用中的可靠性。
标定结果可以用于修正惯性组件的输出信号，使其更加符合实际物理量的变化规律。
惯性器件测试与建模课程设计1. 前言惯性器件作为刚性连接系统中不可或缺的一部分，具有重要的作用。
它们被广泛应用于汽车、飞机、船舶等各种类型的交通工具中，以及工业自动化等领域。
惯性器件的测试和建模在这些应用领域中也变得越来越重要。
本文将介绍一份有关惯性器件测试与建模的课程设计，涵盖了测试理论、实验原理、测试器具、数据分析和建模。
2. 测试理论在惯性器件测试中，我们需要了解各种惯性器件的工作原理和测试方法。
这其中涉及到很多的基础理论知识，包括牛顿力学、旋转力学、惯性力学等。
以下是一些需要掌握的基础理论知识：•角度和角速度的概念•旋转坐标系和相对运动的概念•惯性张量和它的应用•转动动能、角动量和角动量守恒•惯性制动器工作原理和应用3. 实验原理为了实现对惯性器件的测试和建模，我们需要使用测试仪器和设备。
以下是一些与惯性器件测试相关的常见仪器和设备：•陀螺仪：用于测量角速度和角度•惯性测量单元（IMU）：用于测量角速度、角度和加速度•多功能测试仪：用于测试多种机械性能指标，如转速、力矩等。
在实验中，我们需要在系统中加入不同的负载和控制参数，并测量相应的性能指标。
通过对实验数据的分析和处理，我们可以得到惯性器件的性能曲线以及相应的建模参数。
4. 测试器具为了进行惯性器件的测试和建模，我们需要使用一些特定的测试器具。
这些器具需要满足以下要求：•具有高精度的测量能力•具有良好的稳定性和可靠性•能够支持多种不同类型的测试以下是一些常用惯性器件测试器具：•惯量测试仪•陀螺仪测量设备•惯性导航系统5. 数据分析和建模通过实验收集到的数据，我们需要进行进一步的分析和处理，以获得惯性器件的性能曲线和建模参数。
以下是一些常用的数据分析和建模方法：•数据滤波和处理•最小二乘法求解模型参数•基于机器学习的数据挖掘和分析在获得了惯性器件的性能曲线和建模参数之后，我们可以将其用于模拟和优化系统性能，并用于系统设计和控制中。
6. 总结惯性器件测试和建模是一个非常重要的研究领域。
一、实验目的1. 理解惯性原理的基本概念。
2. 通过实验观察惯性现象，加深对惯性原理的理解。
3. 掌握简单的实验操作技能，提高动手能力。
二、实验原理惯性原理是物理学中的一个基本原理，即物体在没有外力作用的情况下，将保持静止状态或匀速直线运动状态。
本实验通过演示不同情境下的惯性现象，验证惯性原理的正确性。
三、实验器材1. 实验台2. 小车3. 驱动电源4. 光电门5. 计时器6. 测量尺7. 记录本四、实验步骤1. 准备实验器材，确保实验台稳固，小车放置在实验台上。
2. 连接驱动电源，将小车与光电门连接。
3. 打开计时器，启动小车。
4. 观察小车在光电门处通过的时间，记录数据。
5. 重复步骤3-4，进行多次实验，求平均值。
6. 将小车放在实验台上，保持静止状态。
7. 打开计时器，启动小车，观察小车从静止状态开始运动的时间，记录数据。
8. 重复步骤6-7，进行多次实验，求平均值。
9. 将小车放在实验台上，给予一定的初速度，使其沿直线运动。
10. 观察小车在光电门处通过的时间，记录数据。
11. 重复步骤9-10，进行多次实验，求平均值。
五、实验结果与分析1. 小车在光电门处通过的时间记录如下：实验次数 | 通过时间（秒）--------|------------1 | 0.52 | 0.43 | 0.6平均时间 | 0.52. 小车从静止状态开始运动的时间记录如下：实验次数 | 开始运动时间（秒）--------|----------------1 | 0.22 | 0.13 | 0.3平均时间 | 0.23. 小车沿直线运动时通过光电门的时间记录如下：实验次数 | 通过时间（秒）--------|------------1 | 0.72 | 0.63 | 0.8平均时间 | 0.7根据实验结果，可以得出以下结论：1. 小车在光电门处通过的时间、从静止状态开始运动的时间和沿直线运动时通过光电门的时间均存在一定的误差，这可能是由于实验操作、环境因素等因素的影响。
惯组标定原理
惯组标定是一种为惯性测量单元（例如加速度计和陀螺仪）提供准确测量结果的过程。
惯组标定原理基于以下假设：
1. 惯性测量单元的输出与外部物理参数之间存在线性关系。
2. 惯性测量单元的输出受到零飘（bias）和比例误差（scale factor error）的影响。
根据以上假设，惯组标定过程通常包括以下步骤：
1. 零飘校准：将惯性测量单元放置在静止状态下，并记录其输出值。
通过对这些输出值求平均，可以确定零飘误差的修正值，以便将其从实际测量中消除。
2. 比例误差校准：将惯性测量单元暴露在已知加速度或角速度水平下，并记录其输出值。
通过将实际加速度或角速度与测量输出值进行比较，可以确定比例误差的修正值。
3. 温度校准：许多惯性测量单元的性能会随着温度的变化而发生变化。
因此，在标定过程中，还需要考虑温度对测量结果的影响。
这可以通过将惯性测量单元暴露在不同温度下，并记录其输出值来实现。
以上步骤通常由专用的标定设备或系统完成。
通过对惯性测量单元进行准确的标定，可以提高其测量精度和可靠性，从而提高整个系统的性能。
MEM惯性组合自标定与应用随着微机电系统（MEMS技术不断拓新，MEMS贯性器件越来越多的应用到军事、工业、医疗等行业。
现代化战争对制导武器的打击精度提出了更高的要求, 高精度的惯性导航系统是提高精度的必要条件,这要求导航系统通过组装更精确的惯性测量装置来满足需要。
相比于传统的惯性器件，MEMS贯性器件以其成本和体积等方面的优势其应用受到了更多的重视, 但其测量精度仍是制约其应用发展的主要瓶颈。
为了提高MEM 惯性组合的适用范围,对MEM惯性器件的标定技术研究日趋活跃,本文以MEM惯性组合的在线自标定的方法为主要研究方向,主要研究了MEM惯性器件的基本原理和输出误差模型，建立了MEM惯性器件的误差模型，根据模型方程设计了MEM陀螺仪的实验室标定方法，通过重力场实验法对加速度计进行了标定，给出了具有工程应用价值的MEM惯性组合的整机测试方法。
通过对MEM惯性器件的应用研究,设计了由MEM芯片构成的惯性组合的系统方案，由ARMS片的搭建了MEM器件硬件，选取了与总体精度相适宜的陀螺仪和加速度计，提出了MEM惯性器件设计的关键技术。
研究了惯性导航技术，完成了由惯性器件输出到载体姿态、速度和位置的更新方法设计, 通过四元数更新法对载体姿态进行更新计算，并完成速度和位置更新解算完成基于MEM惯性器件的惯性导航应用研究。
在MEM惯性组合应用研究基础之上，重点研究了MEM惯性器件的发射前在线标定方法, 由弹体起竖过程建立了相应位置条件下的状态方程, 建立了由导航输出结果构成了观测量, 对状态方程进行模型简化, 采用导弹在起竖过程中弹体姿态的变化, 建立在各个姿态角度变化条件下的误差方程, 获得在线校准方程的简化模型,将测量值带入模型方程并进行求解, 通过卡尔曼滤波法分配惯性组合的误差源,根据仿真实验数据进行仿真分析,仿真结果显示在5s 内实现了零偏估计值的估计并达到收敛效果, 通过仿真验证了自校准方法的可行性,惯性器件的零偏移估计值能有效的被预估, 且估计值高度接近于真值和参考值,实现了对MEM惯性器件的在线自标定。
