低精度壓電陀螺零偏實時估計補償方法
2023-09-19 06:51:40
專利名稱：低精度壓電陀螺零偏實時估計補償方法
技術領域：
本發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 進行實時估計補償的方法。
技術背景航姿信息是載體運動過程中重要的導航參數，可以通過地磁匹配、衛星導航、無 線電導航等多種手段確定載體的空間位置，但目前所有的導航方式中，唯有慣性導航 具有較強的自主性、全天候和抗幹擾能力，因此慣性導航是導航技術發展的主流，在 慣性導航中，陀螺的測量精度是影響慣性導航系統精度的關鍵因素，較低精度的陀螺 將無法保證慣性導航系統的航姿精度，因此提高陀螺的測量精度勢在必行。解決的方 法一般有1)從工藝設計及材料加工等硬體方面改善陀螺性能，提高陀螺指標，伹 此方法受工藝學及材料科學等各方面發展的限制，精度提高有限且成本較髙，開發周 期較長，不能滿足實際需求；2)從軟體程序方面對陀螺進行零偏、漂移等參數進行 估計並補償，能夠較好地提高陀螺的精度，則成本得到降低，而且開發周期短，能夠 較好地根據使用要求進行實時調整相關參數。目前，對於陀螺的精度控制在軟體程序方面是依據陀螺的組成機理建立陀螺的誤 差模型，從而建立與陀螺性能參數相關的卡爾曼濾波方程，利用有效的觀測信息對陀 螺的零偏漂移進行估計與補償，此方法僅適用於高精度陀螺，但是對於低成本低精度 的陀螺而言則有l)陀螺的測量噪聲隨機性較強，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)載體運動過程中陀螺測量噪聲的不確定性容易導致卡爾曼濾波器發散，難以達到通過軟體程序進行補償來提高陀螺精度的目的。
發明內容
為了解決現有低精度壓電陀螺零偏較大、噪聲較大造成的航姿系統誤差較大的問 題，本發明提出一種適用於低精度壓電陀螺的零偏實時估計補償方法，利用了陀螺在 載體直線運動過程中的輸出角速度均值接近0。/s，並以10s內陀螺輸出角速度零偏穩定的原理，以及結合載體的運動狀態及陀螺運行狀態時輸出角速度信息來進行陀螺 的零偏實時估計與補償，從而達到提高低精度壓電陀螺輸出角速度信息的精度。本發明是一種低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，該方法包括有信息採集單元 2、角速度消噪處理單元3、角速度補償單元4。信息採集單元2對低精度壓電陀螺1輸出的角速度信息w。進行採集與模數轉換 處理後輸出數字角速度信息^;角速度消噪處理單元3對接收的數字角速度信息^釆用湯姆松奇異值剔除方法進行野點剔除獲得無野點角速度信息，然後對無野點角速度信息採用五點一次平滑方 法進行降噪平滑處理,獲得降噪角速度信息《2 ，並將此信息輸出給角速度補償單元4;角速度補償單元4對接收的降噪角速度信息^與載體直線運動狀態下輸出的角 速度進行零偏實時估計與補償，獲得補償後的角速度信息《3，該信息即為零偏補償 後的陀螺角速度輸出。在本發明中，載體在直線運動狀態下，此時角速度補償單元4 輸出的補償后角速度信息《3絕對值是0.01 0.05°/"本發明零偏實時估計補償方法的優點(1)載體運動過程中僅僅通過低精度壓 電陀螺自身補償後的角速度信息進行運動狀態的判斷，有效地提高了低精度壓電陀螺 的自主性；在補償過程中無需其它輔助設備，降低了航姿系統成本；(2)零偏估計 過程中採用三段分析法(即判斷層，決策層，應用層)，提高了低精度壓電陀螺估計 零偏的可靠性；(3)零偏實時估計補償依據載體的直線運動狀態和壓電陀螺消噪後 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，減少了計算量，有效地提髙了系統的運行速度，降低了測試成本；(4)採 用開放式程序代碼，方便了系統調試，減少了處理器內存空間的佔用；(5)通過與 載體運動狀態相結合的陀螺零偏補償方法能夠將低精度壓電陀螺輸出的角速度信息 精度提高一個數量級，即陀螺零偏漂移由原來的0.1~2.0°"降低到0~0.05°"。
圖1是本發明低精度壓電陀螺零偏實時估計補償的結構框圖。
圖2是本發明低精度壓電陀螺零偏實時估計補償流程圖。
圖3是釆用本發明陀螺零偏補償前後的對比曲線圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
在本發明中，對於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。
本發明是一種低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，該方法包括有信息釆集單元 2、角速度消噪處理單元3、角速度補償單元4，參見圖1所示。
信息採集單元2對低精度壓電陀螺1輸出的角速度信息叫進行採集與模數轉換 處理後輸出數字角速度信息q;
角速度消噪處理單元3對接收的數字角速度信息q採用湯姆松奇異值剔除方法進行野點剔除獲得無野點角速度信息，然後對無野點角速度信息採用五點一次平滑方 法進行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息^2 ,並將此信息輸出給角速度補償單元4;
角速度補償單元4對接收的降噪角速度信息《2與載體直線運動狀態下輸出的角 速度進行零偏實時估計與補償，獲得補償後的角速度信息A，該信息即為零偏補償 後的陀螺角速度輸出。在本發明中，載體在直線運動狀態下，此時角速度補償單元4 輸出的補償后角速度信息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的個數iV 、 iV個角速度釆樣 點的平均值7、 iV個角速度採樣點的單個採樣點:c,、當前時刻A的採樣點A、 W個 角速度採樣點的方差S2、當前時刻t角速度相對於7V個角速度採樣點平均值Jf的偏 離程度r和角速度野點剔除閾值"所述^個角速度釆樣點的平均值3 = ;|>,，所述iV個角速度採樣點的方差^-H;(;c,-巧2，所述偏離程度"^^，所述角速度野點剔除閾值,=r^^2 。扭-l-r2
所述五點一次平滑滿足第二關係式H，第二關係式i/=|o;_2+};—1+;rt+i;+1+};+2),式中，A表示當前時刻，y表示在當前時刻A對稱 分布的連續五個採樣點。
所述角速度補償單元4中零偏補償量Aw釆用三段分析法進行陀螺輸出補償。三 段分析是指判斷層，分析層，應用層；其中，判斷層是對當前時刻A獲得的零偏補償量AA進行求解與數據保存；分析層是對判斷層中的零偏補償量A^與閾值s比較， 獲得表徵載體直線運動狀態的零偏補償量Aw ;應用層是採用分析層中的零偏補償量 Aw進行陀螺的零偏補償與輸出跟蹤。所述閾值e的取值是依據低精度壓電陀螺l在 靜態條件下的輸出角速度的變化量而定，則閾值f的取值範圍為0.1~0.3°"。在本發明中，載體直線運動狀態下輸出的角速度為o。"。參見圖2所示，本發明的低精度壓電陀螺的零偏實時估計補償，包括有下列處 理步驟第一步通過數據採集單元2採集當前時刻A:低精度壓電陀螺輸出的角速度信息叫；第二步在數據消噪單元3中對採集獲得的角速度信息q利用湯姆松 (Thompson)奇異值剔除方法進行限定閾值法濾波消噪處理，然後利用五點一次 平滑方法進行平滑消噪處理，從而獲得無野點且平滑的補償前角速度信息巧；第三步在補償模塊中利用前一時刻A-1的零偏補償量A份^,，當前時刻先壓電 陀螺輸出的角速度數字信息^ ，判斷當前時刻A載體的運動狀態是否為直線運動狀態；第四步利用第二步驟中的補償前角速度數字信息^對第三步驟中的直線運動狀態進行時間段r內的陀螺角速度信息保存，記為直線數據格式，時間段r內的陀螺 角速度和記為w二，求該段時間內陀螺的均值6^/r，即為陀螺零偏補償量A^;第五步對陀螺補償量A^進行三段分析法判斷；所謂三段分析法即當前求得的零偏補償量A^為判斷層，與分析層中的補償量及閾值s比較是否在一定的閾值範圍內，如果在一定的閾值範圍內則認為該判斷層是正確的，可將零偏補償量傳遞給應用層，如果不在一定的閾值範圍內，則放棄此次的判斷結果；第六步:利用應用層估計的零偏補償量Ao對陀螺進行零偏補償,即％ = 2-Aw ;第七步保存零偏補償後的陀螺信息化並進行相關的解算。6 實 施 例請參見圖3所示，載體在高空IOOO附、速度300^7/A飛行時低精度壓電陀螺 輸出的補償前角速度(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°/"運用本發明的補償方法，陀螺輸出的補償后角速度為曲線n，圖中可以看出陀螺的零偏基本為0°"。本發明通過與載體運動狀態相結合的陀螺零偏補償方法能夠將低精度壓電陀螺輸出的角速度信息精度提高了一個數量級。本發明提出一種適用於低精度壓電陀螺的零偏實時估計補償方法，利用了陀螺在載體直線運動過程中的輸出角速度均值接近o。"，並以10s內陀螺輸出角速度零偏穩定的原理，以及結合載體的運動狀態及陀螺運行狀態時輸出角速度信息來進行陀螺 的零偏實時估計與補償，從而達到提高低精度壓電陀螺輸出角速度信息的精度。解決 現有低精度壓電陀螺零偏較大、噪聲較大造成的航姿系統誤差較大的問題。
權利要求
1、一種低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於信息採集單元(2)對低精度壓電陀螺(1)輸出的角速度信息ω0進行採集與模數轉換處理後輸出數字角速度信息ω1；角速度消噪處理單元(3)對接收的數字角速度信息ω1採用湯姆松奇異值剔除方法進行野點剔除獲得無野點角速度信息，然後對無野點角速度信息採用五點一次平滑方法進行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息ω2；角速度補償單元(4)對接收的降噪角速度信息ω2採用與載體直線運動狀態相結合進行零偏實時估計與補償，獲得補償後的角速度信息ω3。
2、 根據^(利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於所述湯姆松奇異值剔除方法中包括有角速度採樣點的個數w 、 w個角速度釆樣點的平均值7、 iV個角速度採樣點的單個釆樣點x,、當前時刻A的釆樣點A、 iV個角速度 採樣點的方差S2、當前時刻t角速度相對於iV個角速度採樣點平均值3f的偏離程度r和角速度野點剔除閾值,；所述平均值^=^>,，所述方差52=+|; h-巧2 ，所述偏離程度7=^，所述角速度野點剔除閾值^'= 2。
3、 根據^t利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於所 述五點一次平滑滿足第二關係式//，所述第二關係式^=*0;—2+>;—,+^+^4+^+2)，式中，A表示當前時刻，r表示在當前時刻A:對稱分布的連續五個釆樣點。
4、 根據權利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於所 述角速度補償單元(4)輸出的補償后角速度信息《3絕對值是0.01 0.05°〃。
5、 根據權利要求1所述的低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於所 述角速度補償單元(4)中零偏補償量Aw採用判斷層、分析層、應用層的三段分析 法進行陀螺輸出補償；其中，判斷層是對當前時刻A:獲得的零偏補償量A叫進行求解 與數據保存；分析層是對判斷層中的零偏補償量A化與閾值s比較，獲得表徵載體直 線運動狀態的零偏補償量Aw ;應用層是採用分析層中的零偏補償量Aw進行陀螺的 零偏補償與輸出跟蹤。
6、 根據權利要求5所述的低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，其特徵在於所 述閾值f的取值為0.1~0.3°"。
全文摘要
本發明公開了一種低精度壓電陀螺零偏實時補償方法，信息採集單元(2)對低精度壓電陀螺(1)輸出的角速度信息ω0進行採集與模數轉換處理後輸出數字角速度信息ω1；角速度消噪處理單元(3)對接收的數字角速度信息ω1採用湯姆松奇異值剔除方法進行野點剔除獲得無野點角速度信息，然後對無野點角速度信息採用五點一次平滑方法進行降噪平滑處理，獲得降噪角速度信息ω2；角速度補償單元(4)對接收的降噪角速度信息ω2採用與載體直線運動狀態相結合的方式進行零偏實時估計與補償，獲得補償後的角速度信息ω3。
文檔編號G01C19/5776GK101118160SQ20071012163
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月12日 優先權日2007年9月12日
發明者立 富, 王玲玲, 韜 陶 申請人:北京航空航天大學