專利名稱：低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對低精度(是指角速度零偏漂移為0.1 2.0°")壓電陀螺零偏 進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 技術(shù)背景航姿信息是載體運(yùn)動(dòng)過程中重要的導(dǎo)航參數(shù)，可以通過地磁匹配、衛(wèi)星導(dǎo)航、無 線電導(dǎo)航等多種手段確定載體的空間位置，但目前所有的導(dǎo)航方式中，唯有慣性導(dǎo)航 具有較強(qiáng)的自主性、全天候和抗干擾能力，因此慣性導(dǎo)航是導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主流，在 慣性導(dǎo)航中，陀螺的測量精度是影響慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素，較低精度的陀螺 將無法保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航姿精度，因此提高陀螺的測量精度勢在必行。解決的方 法一般有1)從工藝設(shè)計(jì)及材料加工等硬件方面改善陀螺性能，提高陀螺指標(biāo)，伹 此方法受工藝學(xué)及材料科學(xué)等各方面發(fā)展的限制，精度提高有限且成本較髙，開發(fā)周 期較長，不能滿足實(shí)際需求；2)從軟件程序方面對陀螺進(jìn)行零偏、漂移等參數(shù)進(jìn)行 估計(jì)并補(bǔ)償，能夠較好地提高陀螺的精度，則成本得到降低，而且開發(fā)周期短，能夠 較好地根據(jù)使用要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。目前，對于陀螺的精度控制在軟件程序方面是依據(jù)陀螺的組成機(jī)理建立陀螺的誤 差模型，從而建立與陀螺性能參數(shù)相關(guān)的卡爾曼濾波方程，利用有效的觀測信息對陀 螺的零偏漂移進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償，此方法僅適用于高精度陀螺，但是對于低成本低精度 的陀螺而言則有l(wèi))陀螺的測量噪聲隨機(jī)性較強(qiáng)，不滿足馬爾科夫過程和高斯白噪 聲的前提條件，難以對陀螺建立符合卡爾曼濾波方程的線性模型；2)載體運(yùn)動(dòng)過程中陀螺測量噪聲的不確定性容易導(dǎo)致卡爾曼濾波器發(fā)散，難以達(dá)到通過軟件程序進(jìn)行補(bǔ)償來提高陀螺精度的目的。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有低精度壓電陀螺零偏較大、噪聲較大造成的航姿系統(tǒng)誤差較大的問 題，本發(fā)明提出一種適用于低精度壓電陀螺的零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償方法，利用了陀螺在 載體直線運(yùn)動(dòng)過程中的輸出角速度均值接近0。/s，并以10s內(nèi)陀螺輸出角速度零偏穩(wěn)定的原理，以及結(jié)合載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及陀螺運(yùn)行狀態(tài)時(shí)輸出角速度信息來進(jìn)行陀螺 的零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，從而達(dá)到提高低精度壓電陀螺輸出角速度信息的精度。本發(fā)明是一種低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，該方法包括有信息采集單元 2、角速度消噪處理單元3、角速度補(bǔ)償單元4。信息采集單元2對低精度壓電陀螺1輸出的角速度信息w。進(jìn)行采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換 處理后輸出數(shù)字角速度信息^;角速度消噪處理單元3對接收的數(shù)字角速度信息^釆用湯姆松奇異值剔除方法進(jìn)行野點(diǎn)剔除獲得無野點(diǎn)角速度信息，然后對無野點(diǎn)角速度信息采用五點(diǎn)一次平滑方 法進(jìn)行降噪平滑處理,獲得降噪角速度信息《2 ，并將此信息輸出給角速度補(bǔ)償單元4;角速度補(bǔ)償單元4對接收的降噪角速度信息^與載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下輸出的角 速度進(jìn)行零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的角速度信息《3，該信息即為零偏補(bǔ)償 后的陀螺角速度輸出。在本發(fā)明中，載體在直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，此時(shí)角速度補(bǔ)償單元4 輸出的補(bǔ)償后角速度信息《3絕對值是0.01 0.05°/"本發(fā)明零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)(1)載體運(yùn)動(dòng)過程中僅僅通過低精度壓 電陀螺自身補(bǔ)償后的角速度信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷，有效地提高了低精度壓電陀螺 的自主性；在補(bǔ)償過程中無需其它輔助設(shè)備，降低了航姿系統(tǒng)成本；(2)零偏估計(jì) 過程中采用三段分析法(即判斷層，決策層，應(yīng)用層)，提高了低精度壓電陀螺估計(jì) 零偏的可靠性；(3)零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償依據(jù)載體的直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和壓電陀螺消噪后 直線過程中的角速度信息，獲得低精度壓電陀螺的零偏，在不用建立陀螺誤差模型的 條件下，減少了計(jì)算量，有效地提髙了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低了測試成本；(4)采 用開放式程序代碼，方便了系統(tǒng)調(diào)試，減少了處理器內(nèi)存空間的占用；(5)通過與 載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合的陀螺零偏補(bǔ)償方法能夠?qū)⒌途葔弘娡勇葺敵龅慕撬俣刃畔?精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，即陀螺零偏漂移由原來的0.1~2.0°"降低到0~0.05°"。


圖1是本發(fā)明低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償流程圖。
圖3是釆用本發(fā)明陀螺零偏補(bǔ)償前后的對比曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
在本發(fā)明中，對于壓電式陀螺輸出的角速度零偏漂移為0.1 2.0。"的稱作低精 度壓電陀螺。
本發(fā)明是一種低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，該方法包括有信息釆集單元 2、角速度消噪處理單元3、角速度補(bǔ)償單元4，參見圖1所示。
信息采集單元2對低精度壓電陀螺1輸出的角速度信息叫進(jìn)行采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換 處理后輸出數(shù)字角速度信息q;
角速度消噪處理單元3對接收的數(shù)字角速度信息q采用湯姆松奇異值剔除方法進(jìn)行野點(diǎn)剔除獲得無野點(diǎn)角速度信息，然后對無野點(diǎn)角速度信息采用五點(diǎn)一次平滑方 法進(jìn)行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息^2 ,并將此信息輸出給角速度補(bǔ)償單元4;
角速度補(bǔ)償單元4對接收的降噪角速度信息《2與載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下輸出的角 速度進(jìn)行零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的角速度信息A，該信息即為零偏補(bǔ)償 后的陀螺角速度輸出。在本發(fā)明中，載體在直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，此時(shí)角速度補(bǔ)償單元4 輸出的補(bǔ)償后角速度信息6)3絕對值是0.01 ~0.05°"。
所述湯姆松奇異值剔除方法中包括有角速度釆樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)iV 、 iV個(gè)角速度釆樣 點(diǎn)的平均值7、 iV個(gè)角速度采樣點(diǎn)的單個(gè)采樣點(diǎn):c,、當(dāng)前時(shí)刻A的采樣點(diǎn)A、 W個(gè) 角速度采樣點(diǎn)的方差S2、當(dāng)前時(shí)刻t角速度相對于7V個(gè)角速度采樣點(diǎn)平均值Jf的偏 離程度r和角速度野點(diǎn)剔除閾值"所述^個(gè)角速度釆樣點(diǎn)的平均值3 = ;|>,，所述iV個(gè)角速度采樣點(diǎn)的方差^-H;(;c,-巧2，所述偏離程度"^^，所述角速度野點(diǎn)剔除閾值,=r^^2 。扭-l-r2
所述五點(diǎn)一次平滑滿足第二關(guān)系式H，第二關(guān)系式i/=|o;_2+};—1+;rt+i;+1+};+2),式中，A表示當(dāng)前時(shí)刻，y表示在當(dāng)前時(shí)刻A對稱 分布的連續(xù)五個(gè)采樣點(diǎn)。
所述角速度補(bǔ)償單元4中零偏補(bǔ)償量Aw釆用三段分析法進(jìn)行陀螺輸出補(bǔ)償。三 段分析是指判斷層，分析層，應(yīng)用層；其中，判斷層是對當(dāng)前時(shí)刻A獲得的零偏補(bǔ)償量AA進(jìn)行求解與數(shù)據(jù)保存；分析層是對判斷層中的零偏補(bǔ)償量A^與閾值s比較， 獲得表征載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的零偏補(bǔ)償量Aw ;應(yīng)用層是采用分析層中的零偏補(bǔ)償量 Aw進(jìn)行陀螺的零偏補(bǔ)償與輸出跟蹤。所述閾值e的取值是依據(jù)低精度壓電陀螺l在 靜態(tài)條件下的輸出角速度的變化量而定，則閾值f的取值范圍為0.1~0.3°"。在本發(fā)明中，載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下輸出的角速度為o。"。參見圖2所示，本發(fā)明的低精度壓電陀螺的零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償，包括有下列處 理步驟第一步通過數(shù)據(jù)采集單元2采集當(dāng)前時(shí)刻A:低精度壓電陀螺輸出的角速度信息叫；第二步在數(shù)據(jù)消噪單元3中對采集獲得的角速度信息q利用湯姆松 (Thompson)奇異值剔除方法進(jìn)行限定閾值法濾波消噪處理，然后利用五點(diǎn)一次 平滑方法進(jìn)行平滑消噪處理，從而獲得無野點(diǎn)且平滑的補(bǔ)償前角速度信息巧；第三步在補(bǔ)償模塊中利用前一時(shí)刻A-1的零偏補(bǔ)償量A份^,，當(dāng)前時(shí)刻先壓電 陀螺輸出的角速度數(shù)字信息^ ，判斷當(dāng)前時(shí)刻A載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否為直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；第四步利用第二步驟中的補(bǔ)償前角速度數(shù)字信息^對第三步驟中的直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行時(shí)間段r內(nèi)的陀螺角速度信息保存，記為直線數(shù)據(jù)格式，時(shí)間段r內(nèi)的陀螺 角速度和記為w二，求該段時(shí)間內(nèi)陀螺的均值6^/r，即為陀螺零偏補(bǔ)償量A^;第五步對陀螺補(bǔ)償量A^進(jìn)行三段分析法判斷；所謂三段分析法即當(dāng)前求得的零偏補(bǔ)償量A^為判斷層，與分析層中的補(bǔ)償量及閾值s比較是否在一定的閾值范圍內(nèi)，如果在一定的閾值范圍內(nèi)則認(rèn)為該判斷層是正確的，可將零偏補(bǔ)償量傳遞給應(yīng)用層，如果不在一定的閾值范圍內(nèi)，則放棄此次的判斷結(jié)果；第六步:利用應(yīng)用層估計(jì)的零偏補(bǔ)償量Ao對陀螺進(jìn)行零偏補(bǔ)償,即％ = 2-Aw ;第七步保存零偏補(bǔ)償后的陀螺信息化并進(jìn)行相關(guān)的解算。6 實(shí) 施 例請參見圖3所示，載體在高空IOOO附、速度300^7/A飛行時(shí)低精度壓電陀螺 輸出的補(bǔ)償前角速度(或稱原始角速度)為曲線I ，圖中可以看出陀螺的零偏為1.0 1.5°/"運(yùn)用本發(fā)明的補(bǔ)償方法，陀螺輸出的補(bǔ)償后角速度為曲線n，圖中可以看出陀螺的零偏基本為0°"。本發(fā)明通過與載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合的陀螺零偏補(bǔ)償方法能夠?qū)⒌途葔弘娡勇葺敵龅慕撬俣刃畔⒕忍岣吡艘粋€(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明提出一種適用于低精度壓電陀螺的零偏實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償方法，利用了陀螺在載體直線運(yùn)動(dòng)過程中的輸出角速度均值接近o。"，并以10s內(nèi)陀螺輸出角速度零偏穩(wěn)定的原理，以及結(jié)合載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及陀螺運(yùn)行狀態(tài)時(shí)輸出角速度信息來進(jìn)行陀螺 的零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，從而達(dá)到提高低精度壓電陀螺輸出角速度信息的精度。解決 現(xiàn)有低精度壓電陀螺零偏較大、噪聲較大造成的航姿系統(tǒng)誤差較大的問題。
權(quán)利要求
1、一種低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于信息采集單元(2)對低精度壓電陀螺(1)輸出的角速度信息ω0進(jìn)行采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后輸出數(shù)字角速度信息ω1；角速度消噪處理單元(3)對接收的數(shù)字角速度信息ω1采用湯姆松奇異值剔除方法進(jìn)行野點(diǎn)剔除獲得無野點(diǎn)角速度信息，然后對無野點(diǎn)角速度信息采用五點(diǎn)一次平滑方法進(jìn)行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息ω2；角速度補(bǔ)償單元(4)對接收的降噪角速度信息ω2采用與載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合進(jìn)行零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的角速度信息ω3。
2、 根據(jù)^(利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于所述湯姆松奇異值剔除方法中包括有角速度采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)w 、 w個(gè)角速度釆樣點(diǎn)的平均值7、 iV個(gè)角速度采樣點(diǎn)的單個(gè)釆樣點(diǎn)x,、當(dāng)前時(shí)刻A的釆樣點(diǎn)A、 iV個(gè)角速度 采樣點(diǎn)的方差S2、當(dāng)前時(shí)刻t角速度相對于iV個(gè)角速度采樣點(diǎn)平均值3f的偏離程度r和角速度野點(diǎn)剔除閾值,；所述平均值^=^>,，所述方差52=+|; h-巧2 ，所述偏離程度7=^，所述角速度野點(diǎn)剔除閾值^'= 2。
3、 根據(jù)^t利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于所 述五點(diǎn)一次平滑滿足第二關(guān)系式//，所述第二關(guān)系式^=*0;—2+>;—,+^+^4+^+2)，式中，A表示當(dāng)前時(shí)刻，r表示在當(dāng)前時(shí)刻A:對稱分布的連續(xù)五個(gè)釆樣點(diǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于所 述角速度補(bǔ)償單元(4)輸出的補(bǔ)償后角速度信息《3絕對值是0.01 0.05°〃。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于所 述角速度補(bǔ)償單元(4)中零偏補(bǔ)償量Aw采用判斷層、分析層、應(yīng)用層的三段分析 法進(jìn)行陀螺輸出補(bǔ)償；其中，判斷層是對當(dāng)前時(shí)刻A:獲得的零偏補(bǔ)償量A叫進(jìn)行求解 與數(shù)據(jù)保存；分析層是對判斷層中的零偏補(bǔ)償量A化與閾值s比較，獲得表征載體直 線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的零偏補(bǔ)償量Aw ;應(yīng)用層是采用分析層中的零偏補(bǔ)償量Aw進(jìn)行陀螺的 零偏補(bǔ)償與輸出跟蹤。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于所 述閾值f的取值為0.1~0.3°"。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低精度壓電陀螺零偏實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，信息采集單元(2)對低精度壓電陀螺(1)輸出的角速度信息ω₀進(jìn)行采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后輸出數(shù)字角速度信息ω₁；角速度消噪處理單元(3)對接收的數(shù)字角速度信息ω₁采用湯姆松奇異值剔除方法進(jìn)行野點(diǎn)剔除獲得無野點(diǎn)角速度信息，然后對無野點(diǎn)角速度信息采用五點(diǎn)一次平滑方法進(jìn)行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息ω₂；角速度補(bǔ)償單元(4)對接收的降噪角速度信息ω₂采用與載體直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合的方式進(jìn)行零偏實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的角速度信息ω₃。
文檔編號(hào)G01C19/5776GK101118160SQ20071012163
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者立 富, 王玲玲, 韜 陶 申請人:北京航空航天大學(xué)