一種負反饋自適應在線實時濾波方法及系統的製作方法

2023-04-23 05:57:36

專利名稱：一種負反饋自適應在線實時濾波方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於離散隨機信號處理領域，特別涉及一種提高光纖陀螺測量精度的負反 饋自適應在線實時濾波方法及系統。
背景技術：
光纖陀螺儀已經成為未來慣性導航技術發展的重要器件，目前陀螺研究領域關注 的焦點是提高器件的測量精度以使其達到慣性級應用的要求。高精度光纖陀螺儀研製的關 鍵是抑制高頻噪聲，提高器件的零偏穩定性與隨機遊走參數。在硬體技術不斷發展的同時， 後端信號濾波技術以其低成本高有效性的特點成為降低光纖陀螺噪聲水平的一個重要途 徑，可以彌補硬體技術的不足，提高器件測量精度。在後端信號處理領域，卡爾曼濾波以其設計方法簡單易行，所需存儲空間較小 的特點已經在導航傳感等領域得到廣泛應用。相關技術討論了採用卡爾曼濾波器來抑 制光纖陀螺高頻噪聲的方法。參考文獻(I)Feng Sun, Chao Luo，Wei Gao and Qi Nie, "Research on Modeling andCompensation Method of Fiber Optic Gyro' Random Error"International Conference οnMechatronics&Automation,Niagara Falls,Canada, July 2005，461 465。 (2)Li_dong Wang, Chun-xiZhang. On-line modeling and filter of high-precise FOG signal[J]Opto-ElectronicEngineering. 200734(01) :ppl_3。現有卡爾曼濾波技術的特點是採用速率為狀態變量，將光纖陀螺系統靜止時的噪 聲模型作為濾波器的狀態方程並且在濾波的過程中保持系統的狀態方程參數不變，整個濾 波處理是一種開環的結構。從實際應用的角度出發，這種技術方案還存在一些不足，需要改 進來提升算法的綜合性能。首先，現有卡爾曼濾波技術只能在光纖陀螺處於靜止的情況下 工作，無法自適應動態信號的變化。現有算法採用靜態噪聲模型作為卡爾曼濾波器的狀態 方程，狀態方程參數不會隨著被測量物體運動狀態的改變而相應地調整，這就限制了濾波 器只能在陀螺處於穩態的情況下發揮濾波效能，一旦被測量物體運動狀態發生改變，濾波 器將失去作用。同時當信號快速變化時，濾波器也無法提供很強的跟蹤能力。一個典型的 例子是當旋轉物體角速率快速增加時，現有技術濾波後的結果不僅沒有消除高頻白噪聲反 而給信號增加了一個偏置噪聲。其次，現有卡爾曼濾波技術以速率為狀態變量，不能有效解 決器件偏置隨機漂移引起的濾波性能退化問題。光纖陀螺的輸出中都存在一個偏置，器件 實際傳感到的角速率等於陀螺輸出減去這個偏置。卡爾曼濾波器的理論與仿真表明偏置的 存在會退化算法的濾波性能。偏置的大小是因陀螺而異的，並且受到外界因素的影響，比如 當環境溫度改變時，陀螺偏置大小也會隨之改變。正因如此，現有技術中採用的濾波前先記 錄數據統計偏置大小的方法不僅不利於信號的在線實時濾波，而且不能跟蹤信號偏置的漂 移。更好的方法是期望算法能夠跟蹤偏置的漂移，消除偏置帶來的濾波性能退化問題。此 外，現有技術只考慮到了瞬時角速率意義上的噪聲濾波，但是不同應用系統的工作時間不 同，對陀螺噪聲的短期跟長期性能指標要求也不同。因此，算法抑制高頻噪聲應當能夠提高 器件在各種平均時間下的零偏穩定性參數，最大程度改善隨機遊走。最後，考慮到算法實現
4的硬體水平，濾波算法應當簡單快速有效，能夠提供實時的在線濾波。

發明內容
本發明的目的是為了改善光纖陀螺的零偏穩定性與隨機遊走參數，克服現有卡爾 曼濾波技術在消除陀螺偏置隨機漂移，實時跟蹤動態信號上的不足，提供了一種帶負反饋 的基於卡爾曼濾波器的自適應在線實時濾波方法及系統，可以有效抑制光纖陀螺的高頻噪 聲，提高器件測量精度。本發明的技術方案為—種負反饋自適應在線實時濾波方法，其步驟為1)建立一角速率增量信號序列[Y' _N+1，Y' _N，…，Y' J，並將其初始化為光纖陀 螺最初測量到的N個角速率信號[Y_N+1，…，UJ ；建立一負反饋序列[；tM+1,l_M+2,…之]， 並將其初始化為0序列；其中，友為i時刻濾波後輸出的角速率信號、N為大於2的自然數、 M為大於1的自然數；2)將k時刻光纖陀螺測量的角速率信號Yk與k時刻的負反饋信號Uk相減後得到 角速率增量Yk'，將其作為卡爾曼濾波器模塊的觀測值；其中，Uk為當前負反饋序列經過序 列加權後的信號；所述卡爾曼濾波器模塊為以速率增量為狀態變量的離散卡爾曼濾波器；3)採用當前角速率增量信號序列[Y' k，Y' ，…，Y' k_N+1]擬合估計得到k時 刻所述卡爾曼濾波器模塊的狀態方程參數，更新所述卡爾曼濾波器模塊；4)將角速率增量Y' k經參數更新後的卡爾曼濾波器模塊進行信號濾波，得到k時 刻卡爾曼濾波器模塊濾波後的角速率增量；5)將k時刻角速率增量;^丨與k時刻的負反饋信號Uk相加後，作為k時刻濾波後輸 出的角速率信號;^。進一步的，所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為
權利要求
1.一種負反饋自適應在線實時濾波方法，其步驟為1)建立一角速率增量信號序列[Y'-N+1，Y' -N，…，Y' J，並將其初始化為光纖陀螺 最初測量到的N個角速率信號[Y_N+1，…，L1，Y0]；建立一負反饋序列[1_Μ+1,1_Μ+2,…之]， 並將其初始化為0序列；其中，友為i時刻濾波後輸出的角速率信號、N為大於2的自然數、 M為大於1的自然數；2)將k時刻光纖陀螺測量的角速率信號Yk與k時刻的負反饋信號Uk相減後得到角速 率增量Y' k，將其作為卡爾曼濾波器模塊的觀測值；其中，uk為當前負反饋序列經過序列加 權後的信號；所述卡爾曼濾波器模塊為以速率增量為狀態變量的離散卡爾曼濾波器；3)採用當前角速率增量信號序列[Y'k，Y' η，…，Y' k_N+1]擬合估計得到k時刻所 述卡爾曼濾波器模塊的狀態方程參數，更新所述卡爾曼濾波器模塊；4)將角速率增量Y'k經參數更新後的卡爾曼濾波器模塊進行信號濾波，得到k時刻 卡爾曼濾波器模塊濾波後的角速率增量;^ ；5)將k時刻角速率增量;^丨與k時刻的負反饋信號uk相加後，作為k時刻濾波後輸出的 角速率信號；^。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為A'=UL(狀態方程)<=(觀測方程)其中，X'時刻角速率增量信號的真實值，CKi1為狀態轉移參數、WlriS過程噪聲、Vk為觀測噪聲。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於採用當前角速率增量信號序列[Y'k， Y' H，…，Y' k-N+1]對所述卡爾曼濾波器模塊的狀態方程X' k= φ,,,-!Χ' h+WH進行擬 合，得到狀態轉移參數的估計麼^，並將模型擬合中的擬合誤差方差作為過程噪聲Wlri方差 的估計麼―,。k-\
4.如權利要求1或2或3所述的方法，其特徵在於採用公式ΣAy友計算負反饋i=k-MM信號uk ；其中，加權係數β i > 0，並且Σ/^ =1。i=l
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述觀測噪聲Vk的方差&取值為+，其中R為光纖陀螺靜止時測量角速率數據的先驗方差統計值。
6.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述角速率增量真實值X'k的濾波估計值 的計算方法為採用卡爾曼濾波算法，利用參數更新後的卡爾曼濾波器模塊進行狀態一步預測，計算一步預測誤差方差陣與濾波增益矩陣，然後進行狀態估計得到濾波後的角速 率增量，並更新下一時刻的預測誤差方差陣。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於初始的預測誤差方差陣Ptl取值為&的5 20倍。
8.一種負反饋自適應在線實時濾波系統，其特徵在於包括減法器、信號時間序列模型參數實時估計模塊、卡爾曼濾波器模塊、反饋迴路模塊、加法器；所述減法器將輸入的角速率信號與負反饋信號經所述減法器相減後得到的角速率增 量信號序列分別輸出到所述卡爾曼濾波器模塊、信號時間序列模型參數實時估計模塊；所述信號時間序列模型參數實時估計模塊根據輸入角速率增量信號序列計算所述卡 爾曼濾波模塊的狀態方程參數，並更新所述卡爾曼濾波器模塊；所述卡爾曼濾波器模塊為 以速率增量為狀態變量的離散卡爾曼濾波器；所述卡爾曼濾波器模塊對輸入數據進行濾波後得到的角速率增量輸出到所述加法器；所述加法器將輸入的角速率增量和負反饋信號經所述加法器相加後作為濾波後的角 速率信號輸出；所述加法器輸出的信號經所述負反饋迴路後分別輸出到所述減法器與所述加法器；所 述負反饋迴路對當前k時刻之前的M個時刻的濾波輸出角速率信號;^ (i = k-Ι，…，k-M) 經過序列加權後得到所述負反饋信號，M為大於1的自然數。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於所述卡爾曼濾波器模塊的濾波方程為
10.如權利要求8或9所述的系統，其特徵在於採用公式
全文摘要
本發明公開了一種負反饋自適應在線實時濾波方法及系統，屬於離散隨機信號處理領域。本方法為1)建立一角速率增量信號序列和一負反饋序列；2)將k時刻角速率信號Yk與k時刻的負反饋信號uk相減後得到角速率增量Yk′；3)採用當前角速率增量信號序列擬合估計得到k時刻卡爾曼濾波器模塊的狀態方程參數，更新卡爾曼濾波器模塊；4)將Yk′經參數更新後的卡爾曼濾波器模塊進行信號濾波，得到角速率增量；5)將與相加後，作為k時刻濾波後輸出的角速率信號；本系統包括減法器、信號時間序列模型參數實時估計模塊、卡爾曼濾波器模塊、反饋迴路模塊、加法器。本發明大大提高了濾波性、增強了對快速變化信號的跟蹤能力、提高隨機遊走參數的改善效果。
文檔編號H03H21/00GK102064798SQ20101059484
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者何昌洪, 楊川川, 王子宇 申請人:北京大學