雙軸數字陀螺儀及陀螺儀多層次誤差補償方法與流程
2023-12-04 18:22:46 2
本發明涉及慣性技術領域，特別涉及雙軸數字陀螺儀及陀螺儀多層次誤差補償方法。
背景技術：
過去普遍使用機械式的角速率陀螺，如液浮角速率陀螺、撓性有旋轉馬達的角速率陀螺等，這些角速率陀螺在實際應用中存在體積的大，價格昂貴、易損壞的缺點；
隨著電子技術的進步，出現了許多微機械-電子系統的角速率陀螺，如開環角速率陀螺等，但這類角速率陀螺的輸出受技術和和成本影響，陀螺的零位漂移受溫度影響很大，有的角速率陀螺的零位偏差沒有經過補償，且輸出電壓受溫度的影響很大，其輸出結果有較大誤差，如果直接採用角速率陀螺的輸出數據，則不能真實地反應載體的運動，從而會對用戶載體的運動監測及控制產生重大影響。
技術實現要素：
本發明的目的旨在至少解決所述的技術缺陷之一。
為此，本發明的一個目的在於提出一種雙軸數字陀螺儀，包括主控模塊、陀螺傳感器、A/D轉換模塊、輸出模塊；所述陀螺傳感器連接A/D轉換模塊，所述A/D轉換模塊、主控模塊、輸出模塊依次連接；
所述陀螺傳感器包括角速率感應傳感器和溫度傳感器；所述角速率感應傳感器用於感測陀螺旋轉角速度，獲得角速率數據，並將角速率數據發送至A/D轉換模塊；所述溫度傳感器，用於採集陀螺傳感器的溫度信號，並將溫度信號發送至A/D轉換模塊；
所述A/D轉換模塊，用於接收角速率感應傳感器和溫度傳感器發送的角速率數據和溫度信號，並將所述角速率數據和溫度信號輸送到主控模塊；
所述主控模塊包括主控晶片、時鐘電路、復位電路；所述時鐘電路、復位電路分別與主控晶片連接，所述主控晶片接收A/D轉換模塊發送的角速率數據和溫度信號，並將角速率數據進行第一次補償算法，得出初始補償角速率數據；並將補償角速率數據和溫度信號進行第二次補償算法，得到最終補償角速率數據；
所述輸出模塊連接主控模塊，用於將二次補償後的最終角速率數據輸出。
優選的，所述陀螺傳感器和A/D轉換模塊分別設置為兩組，且分別設置在陀螺的X軸方向和Y軸方向，其中，所述陀螺傳感器包括：X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器、Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器,其中，所述X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器與X軸方向的A/D轉換模塊相連；所述Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器與Y軸方向的A/D轉換模塊相連。
優選的，所述主控模塊執行所述第一次補償算法，具體包括以下步驟：
在常溫下採集X軸、Y軸角速率數據，包括：採集多組預設時間範圍的零位輸出數據，根據預設時間梯度，對所述X軸、Y軸角速率數據進行數據平滑，求得平均值，然後利用各平均值求出各組平均值；
計算出量程範圍內的各點平均測量值信息，使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子；
利用前面計算得到的比例因子得出其零位偏移，根據計算得到的比例因子和零位偏移建立系統補償模型，得出角速率數據輸出值。
優選的，所述第二次補償算法具體包括以下步驟：
建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；
在預設溫度範圍內根據預設溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移；
利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合，得到比例因子與溫度梯度的二次關係，零位偏移與溫度的三次關係，進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
本發明還提供一種陀螺儀多層次誤差補償方法，其特徵在於，具體包括，
步驟S1，在常溫下，利用陀螺儀的角速率感應傳感器，採集X軸、Y軸角速率數據；
步驟S2，將採集的角速率數據進行A/D轉換後並利用第一次補償算法進行處理，得出補償角速率數據；
所述第一次補償算法的計算過程包括：
步驟S201，在常溫下採集X軸、Y軸角速率數據；具體包括，採集多組預設時間範圍的零位輸出數據，根據預設時間梯度，對所述X軸、Y軸角速率數據進行數據平滑，求得平均值，然後利用各平均值求出各組平均值；
步驟S202，計算出量程範圍內的各點平均測量值信息，使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子；
步驟S203，利用前面計算得到的比例因子得出其零位偏移，根據計算得到的比例因子和零位偏移建立系統補償模型。
步驟S3，利用溫度傳感器採集溫度信號，將溫度信號和補償角速率數據進行第二次補償算法，並利用第二次補償算法進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
步驟S3中所述第二次補償算法的計算過程包括：
步驟S301，建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；在預設溫度範圍內根據預設溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移；
步驟S302，利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合，得到比例因子與溫度梯度的二次關係，零位偏移與溫度的三次關係；
步驟S303，根據擬合結果，建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
優選的，步驟S201中，採集X軸、Y軸角速率數據時，採集多組預設時間範圍的零位輸出數據，根據預設固定時間梯度，進行數據平滑，求得平均值，然後利用各平均值求出各組平均值。
優選的，步驟S301中所述建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型時，採用在預設溫度範圍內根據預設的溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據。
優選的，所述角速率感應傳感器和溫度傳感器共設有兩組包括X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器、Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器,其中，所述X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器與X軸方向的A/D轉換模塊相連；所述Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器與Y軸方向的A/D轉換模塊相連。
為了實現上述目的，本發明一方面的實施例提供的雙軸數字陀螺儀及陀螺儀多層次誤差補償方法相比於現有技術至少存在以下優點
1、可以針對角速率傳感器的系統零位偏差、零位偏差溫度靈敏度、比例因子、比例因子溫度靈敏度等特性，進行兩次補償，從而保證輸出數據的比例因子恆定，保證測量精度。
2、陀螺晶片和溫度傳感器集成在一起，能更精準的測試陀螺晶片的工作溫度，計算出補償溫度補償公式對數據進行修正。可在-40℃到+85℃範圍內檢測和實現對零點和比例因子的漂移及溫度引起的機械結構變化帶來的影響進行補償。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1為本發明一種雙軸數字陀螺儀的結構框圖；
圖2為本發明實施例一種雙軸數字陀螺儀的主控電路模塊的電路原理圖；
圖3為本發明實施例一種雙軸數字陀螺儀的輸出電路模塊的電路原理圖；
圖4為本發明一種陀螺儀多層次誤差補償方法的流程示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
如圖1所示，本發明一方面的實施例提出一種雙軸數字陀螺儀，包括主控模塊、陀螺傳感器、A/D轉換模塊、輸出模塊；陀螺傳感器連接A/D轉換模塊，A/D轉換模塊、主控模塊、輸出模塊依次連接；陀螺傳感器包括角速率感應傳感器和溫度傳感器；角速率感應傳感器用於感測陀螺旋轉角速度，獲得角速率數據，並將角速率數據發送至A/D轉換模塊；溫度傳感器用於採集陀螺傳感器的溫度信號，並將溫度信號發送至A/D轉換模塊；A/D轉換模塊，用於接收角速率感應傳感器和溫度傳感器發送的角速率數據和溫度信號，並將角速率數據和溫度信號輸送到主控模塊。
陀螺傳感器和A/D轉換模塊分別設置為兩組，且分別設置在陀螺的X軸方向和Y軸方向，其中，陀螺傳感器包括：X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器、Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器,其中，X軸方向角速率感應傳感器、X軸方向溫度傳感器與X軸方向的A/D轉換模塊相連；Y軸方向角速率感應傳感器、Y軸方向溫度傳感器與Y軸方向的A/D轉換模塊相連。
如圖2所示，主控模塊包括主控晶片、時鐘電路、復位電路；時鐘電路、復位電路分別與主控晶片連接，主控晶片採用STM32F103C8T6處理器，STM32F103C8T6的第5管腳和第6管腳之間串聯晶振Y1，晶振Y1的兩端分別連接電容C15的一端、電容C16的一端，電容C15的另一端、電容C16的另一端接地，形成時鐘電路。
復位電路包括電阻R7、電容C14，主控晶片的第7管腳連接電阻R7的一端、電容C14的一端，電阻R7的另一端接3.3V、電容C14的另一端接地，形成主控晶片的復位電路。
主控晶片接收A/D轉換模塊發送的角速率數據和溫度信號，並將角速率數據進行第一次補償算法，得出初始補償角速率數據；並將初始補償角速率數據和溫度信號進行第二次補償算法。第一次補償算法，具體包括以下步驟：
步驟1，在常溫下採集X軸、Y軸角速率數據；具體為，採集多組預設時間範圍的零位輸出數據，根據預設固定時間梯度，進行數據平滑，求得平均值，然後利用各平均值求出各組平均值。其中數據進行平滑處理的過程，包括去除噪聲數據、求取本時間梯度的平均值；然後再根據各個時間梯度的平均值進行加和或加權計算求出該時間範圍內的最終平均值。
步驟2，計算出量程範圍內的各點平均測量值信息，使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子；
步驟3，利用前面計算得到的比例因子得出其零位偏移，根據計算得到的比例因子和零位偏移建立系統補償模型，得出角速率數據輸出值。
第二次補償算法具體包括以下步驟：
步驟4，建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；具體包括，在預設溫度範圍內根據預設溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移；
步驟5，在預設溫度範圍內根據預設的溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移；
步驟6、利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合，得到比例因子與溫度梯度的二次關係，零位偏移與溫度的三次關係，進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
具體為，在步驟1-步驟3中，
依據標準:GJB2426A-2004光纖陀螺儀測試方法計算其零位偏移F0，採集4組100s的數據，對其做1s平滑，求出每組平滑後數據的平均值，然後再求平均，建立零位偏移系統補償模型，利用前面計算得到的比例因子得出其零偏。
具體為首先根據測量數據Ωij和角速率輸出值計算出量程範圍內的各點平均測量值信息；
建立零位偏移建立系統補償模型
Fj＝K·Ωij+F0+Vj
使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子
進而求得零位偏移F0滿足
則補償後的角速率數據
其中，Ωij為第j個輸入角速度，為陀螺在第j個輸入角速度第p個輸出數據，K比例因子，K0為原始陀螺晶片比例因子，F0為零位偏移，Fj為陀螺儀在第j個輸入角速度輸出量平均值，CS為補償後的角速率數據,Vj為擬合零位誤差。
具體為，在步驟4-步驟6中；
在-40℃—60℃溫度範圍內每5℃採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移，利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合得到比例因子和零位偏移與溫度的關係。
具體為根據上述步驟1-步驟3中分別求得的溫度T時刻時比例因子KT和零位偏移量F0T
根據多項式擬合Q(t)＝a0tn+a1tn-1+…+an-1t1+an
建立比例因子KT與溫度T的二次關係
KT＝a1T2+b1T+c1
建立零位偏移量F0T與溫度T的三次關係
F0T＝a2T3+b2T2+c2T+d2
使用最小二乘法將平均測量值擬合係數a1、b1、c1a2、b2、c2、d2
第二次補償後的角速率數據
其中，KT為溫度T時陀螺晶片比例因子；F0T為溫度T時的零位偏移量；CS第一次為補償後的角速率數據；K0為原始陀螺晶片比例因子。
輸出模塊連接主控模塊，用於將二次補償後的最終角速率數據輸出。
如圖3所示，輸出模塊包括晶片U3、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13、電阻R4、電阻R5；晶片U3優選的選用串口晶片MAX3160EAP，晶片U3的電源輸入端連接電容C9的一端，電容C9的另一端接地；晶片U3的第一輸出端與第二輸出端之間串聯電阻R4，晶片U3的第一輸入端與第二輸入端之間串聯電阻R5，第一輸出端、第二輸出端、第一輸入端、第二輸入端分別連接相應的串口接口J6、J5、J4、J3。
如圖4所示，本發明還提出一種陀螺儀多層次誤差補償方法，具體包括；
步驟S1，在常溫下，利用角速率感應傳感器，採集X軸、Y軸角速率數據；
步驟S2，將採集的角速率數據進行A/D轉換後並利用第一次補償算法進行處理，得出補償角速率數據；
步驟S3，利用溫度傳感器採集溫度信號，將溫度信號和補償角速率數據進行第二次補償算法，並利用第二次補償算法進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
步驟S2中第一次補償算法具體為：
步驟S201，在常溫下採集X軸、Y軸角速率數據；
步驟S201中，採集X軸、Y軸角速率數據時，採集多組預設時間範圍的零位輸出數據，根據預設固定時間梯度，進行數據平滑，求得平均值，然後利用各平均值求出各組平均值。
步驟S202，計算出量程範圍內的各點平均測量值信息，使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子；
步驟S203，利用前面計算得到的比例因子得出其零位偏移，根據計算得到的比例因子和零位偏移建立系統補償模型。
具體為依據標準:GJB2426A-2004光纖陀螺儀測試方法計算其零位偏移F0，採集4組100s的數據，對其做1s平滑，求出每組平滑後數據的平均值，然後再求平均，建立零位偏移系統補償模型，利用前面計算得到的比例因子得出其零位偏移量。
具體為首先根據測量數據Ωij和角速率輸出值計算出量程範圍內的各點平均測量值信息，
建立零位偏移建立系統補償模型
Fj＝K·Ωij+F0+Vj
使用最小二乘法將平均測量值擬合計算得到比例因子
進而求得零位偏移F0滿足
則補償後的角速率數據
其中，Ωij為第j個輸入角速度，為陀螺在第j個輸入角速度第p個輸出數據，K比例因子，K0為原始陀螺晶片比例因子，F0為零位偏移，Fj為陀螺儀在第j個輸入角速度輸出量平均值，CS為補償後的角速率數據,Vj為擬合零位誤差。
步驟S3中第二次補償算法具體為：
步驟S301，建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；
步驟S301中建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型時，採用在預設溫度範圍內根據預設的溫度梯度採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據。
步驟S302，利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合，得到比例因子與溫度梯度的二次關係，零位偏移與溫度的三次關係；
步驟S303，根據擬合結果，建立基於溫度的陀螺溫度漂移誤差補償模型；進行二次補償，得出各溫度節點下的角速率數據。
具體為，
具體為，在步驟4-步驟6中，
在-40℃—60℃溫度範圍內每5℃採集一組X軸、Y軸角速率的全量程數據，計算出各溫度下的比例因子和零位偏移，利用最小二乘法將比例因子和零位偏移擬合得到比例因子和零位偏移與溫度的關係。
具體為根據上述步驟S201-步驟S203中分別求得的溫度T時比例因子KT和溫度T時零位偏移量F0T
根據多項式擬合Q(t)＝a0tn+a1tn-1+…+an-1t1+an
建立比例因子KT與溫度T的二次關係
KT＝a1T2+b1T+c1
建立零位偏移量F0T與溫度T的三次關係
F0T＝a2T3+b2T2+c2T+d2
使用最小二乘法將平均測量值擬合係數a1、b1、c1a2、b2、c2、d2
第二次補償後的角速率數據
其中，KT為溫度T時陀螺晶片比例因子；F0T為溫度T時零位偏移量；CS第一次為補償後的角速率數據；K0為原始陀螺晶片比例因子。
輸出模塊連接主控模塊，用於將二次補償後的最終角速率數據輸出。
經分析，比例因子採用二次擬合，零位偏移採用三次擬合比較簡便且擬合度高，
然後在一次補償的基礎上進行二次補償，此次補償消除了因溫度引起的偏差。本發明可以針對角速率傳感器的系統零位偏差、零位偏差溫度靈敏度、比例因子、比例因子溫度靈敏度等特性，進行兩次補償，從而保證輸出數據的比例因子恆定，保證測量精度。
陀螺晶片和溫度傳感器集成在一起，能更精準的測試陀螺晶片的工作溫度，計算出補償溫度補償公式對數據進行修正。可在-40℃到+85℃範圍內檢測和實現對零點和比例因子的漂移及溫度引起的機械結構變化帶來的影響進行補償。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不預設指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。