CN101118160A - 低精度压电陀螺零偏实时估计补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，信息采集单元(2)对低精度压电陀螺(1)输出的角速度信息ω₀进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω₁；角速度消噪处理单元(3)对接收的数字角速度信息ω₁采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω₂；角速度补偿单元(4)对接收的降噪角速度信息ω₂采用与载体直线运动状态相结合的方式进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω₃。

Description

低精度压电陀螺零偏实时估计补偿方法

技术领域

本发明涉及一种对低精度(是指角速度零偏漂移为0.1～2.0°/s)压电陀螺零偏进行实时估计补偿的方法。

背景技术

航姿信息是载体运动过程中重要的导航参数，可以通过地磁匹配、卫星导航、无线电导航等多种手段确定载体的空间位置，但目前所有的导航方式中，唯有惯性导航具有较强的自主性、全天候和抗干扰能力，因此惯性导航是导航技术发展的主流，在惯性导航中，陀螺的测量精度是影响惯性导航系统精度的关键因素，较低精度的陀螺将无法保证惯性导航系统的航姿精度，因此提高陀螺的测量精度势在必行。解决的方法一般有：1)从工艺设计及材料加工等硬件方面改善陀螺性能，提高陀螺指标，但此方法受工艺学及材料科学等各方面发展的限制，精度提高有限且成本较高，开发周期较长，不能满足实际需求；2)从软件程序方面对陀螺进行零偏、漂移等参数进行估计并补偿，能够较好地提高陀螺的精度，则成本得到降低，而且开发周期短，能够较好地根据使用要求进行实时调整相关参数。

目前，对于陀螺的精度控制在软件程序方面是依据陀螺的组成机理建立陀螺的误差模型，从而建立与陀螺性能参数相关的卡尔曼滤波方程，利用有效的观测信息对陀螺的零偏漂移进行估计与补偿，此方法仅适用于高精度陀螺，但是对于低成本低精度的陀螺而言：则有1)陀螺的测量噪声随机性较强，不满足马尔科夫过程和高斯白噪声的前提条件，难以对陀螺建立符合卡尔曼滤波方程的线性模型；2)载体运动过程中陀螺测量噪声的不确定性容易导致卡尔曼滤波器发散，难以达到通过软件程序进行补偿来提高陀螺精度的目的。

发明内容

为了解决现有低精度压电陀螺零偏较大、噪声较大造成的航姿系统误差较大的问题，本发明提出一种适用于低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿方法，利用了陀螺在载体直线运动过程中的输出角速度均值接近0°/s，并以10s内陀螺输出角速度零偏稳定的原理，以及结合载体的运动状态及陀螺运行状态时输出角速度信息来进行陀螺的零偏实时估计与补偿，从而达到提高低精度压电陀螺输出角速度信息的精度。

本发明是一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，该方法包括有：信息采集单元2、角速度消噪处理单元3、角速度补偿单元4。

信息采集单元2对低精度压电陀螺1输出的角速度信息ω₀进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω₁；

角速度消噪处理单元3对接收的数字角速度信息ω₁采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω₂，并将此信息输出给角速度补偿单元4；

角速度补偿单元4对接收的降噪角速度信息ω₂与载体直线运动状态下输出的角速度进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω₃，该信息即为零偏补偿后的陀螺角速度输出。在本发明中，载体在直线运动状态下，此时角速度补偿单元4输出的补偿后角速度信息ω₃绝对值是0.01～0.05°/s。

本发明零偏实时估计补偿方法的优点：(1)载体运动过程中仅仅通过低精度压电陀螺自身补偿后的角速度信息进行运动状态的判断，有效地提高了低精度压电陀螺的自主性；在补偿过程中无需其它辅助设备，降低了航姿系统成本；(2)零偏估计过程中采用三段分析法(即判断层，决策层，应用层)，提高了低精度压电陀螺估计零偏的可靠性；(3)零偏实时估计补偿依据载体的直线运动状态和压电陀螺消噪后直线过程中的角速度信息，获得低精度压电陀螺的零偏，在不用建立陀螺误差模型的条件下，减少了计算量，有效地提高了系统的运行速度，降低了测试成本；(4)采用开放式程序代码，方便了系统调试，减少了处理器内存空间的占用；(5)通过与载体运动状态相结合的陀螺零偏补偿方法能够将低精度压电陀螺输出的角速度信息精度提高一个数量级，即陀螺零偏漂移由原来的0.1～2.0°/s降低到0～0.05°/s。

附图说明

图1是本发明低精度压电陀螺零偏实时估计补偿的结构框图。

图2是本发明低精度压电陀螺零偏实时估计补偿流程图。

图3是采用本发明陀螺零偏补偿前后的对比曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

在本发明中，对于压电式陀螺输出的角速度零偏漂移为0.1～2.0°/s的称作低精度压电陀螺。

本发明是一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，该方法包括有：信息采集单元2、角速度消噪处理单元3、角速度补偿单元4，参见图1所示。

信息采集单元2对低精度压电陀螺1输出的角速度信息ω₀进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω₁；

角速度消噪处理单元3对接收的数字角速度信息ω₁采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω₂，并将此信息输出给角速度补偿单元4；

角速度补偿单元4对接收的降噪角速度信息ω₂与载体直线运动状态下输出的角速度进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω₃，该信息即为零偏补偿后的陀螺角速度输出。在本发明中，载体在直线运动状态下，此时角速度补偿单元4输出的补偿后角速度信息ω₃绝对值是0.01～0.05°/s。

所述汤姆松奇异值剔除方法中包括有角速度采样点的个数N、N个角速度采样点的平均值N个角速度采样点的单个采样点x_i、当前时刻k的采样点x_k、N个角速度采样点的方差S²、当前时刻k角速度相对于N个角速度采样点平均值

的偏离程度τ和角速度野点剔除阈值t′。所述N个角速度采样点的平均值 $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ 所述N个角速度采样点的方差 $S^2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2,$ 所述偏离程度 $\mathrm{\τ}=\frac{x_k-\stackrel{\‾}{x}}{S},$ 所述角速度野点剔除阈值 $t^{\′}=\frac{\mathrm{\τ}\sqrt{N-2}}{\sqrt{N-1-}{\mathrm{\τ}}^2}.$

所述五点一次平滑满足第二关系式H，第二关系式 $H=\frac{1}{5}(Y_{k-2}+Y_{k-1}+Y_k+Y_{k+1}+Y_{k+2}),$ 式中，k表示当前时刻，Y表示在当前时刻k对称分布的连续五个采样点。

所述角速度补偿单元4中零偏补偿量Δω采用三段分析法进行陀螺输出补偿。三段分析是指判断层，分析层，应用层；其中，判断层是对当前时刻k获得的零偏补偿量Δω_k进行求解与数据保存；分析层是对判断层中的零偏补偿量Δω_k与阈值ε比较，获得表征载体直线运动状态的零偏补偿量Δω；应用层是采用分析层中的零偏补偿量Δω进行陀螺的零偏补偿与输出跟踪。所述阈值ε的取值是依据低精度压电陀螺1在静态条件下的输出角速度的变化量而定，则阈值ε的取值范围为0.1～0.3°/s。

在本发明中，载体直线运动状态下输出的角速度为0°/s。

参见图2所示，本发明的低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿，包括有下列处理步骤：

第一步：通过数据采集单元2采集当前时刻k低精度压电陀螺输出的角速度信息ω₀；

第二步：在数据消噪单元3中对采集获得的角速度信息ω₁利用汤姆松(Thompson)奇异值剔除方法进行限定阈值法滤波消噪处理，然后利用五点一次平滑方法进行平滑消噪处理，从而获得无野点且平滑的补偿前角速度信息ω₂；

第三步：在补偿模块中利用前一时刻k-1的零偏补偿量Δω_k-1，当前时刻k压电陀螺输出的角速度数字信息ω₁，判断当前时刻k载体的运动状态是否为直线运动状态；

第四步：利用第二步骤中的补偿前角速度数字信息ω₁对第三步骤中的直线运动状态进行时间段T内的陀螺角速度信息保存，记为直线数据格式，时间段T内的陀螺角速度和记为ω_sum′，求该段时间内陀螺的均值ω_sum′/T，即为陀螺零偏补偿量Δω_k；

第五步：对陀螺补偿量Δω_k进行三段分析法判断；所谓三段分析法即：当前求得的零偏补偿量Δω_k为判断层，与分析层中的补偿量及阈值ε比较是否在一定的阈值范围内，如果在一定的阈值范围内则认为该判断层是正确的，可将零偏补偿量传递给应用层，如果不在一定的阈值范围内，则放弃此次的判断结果；

第六步：利用应用层估计的零偏补偿量Δω对陀螺进行零偏补偿，即ω₃＝ω₂-Δω；

第七步：保存零偏补偿后的陀螺信息ω₃并进行相关的解算。

实施例

请参见图3所示，载体在高空1000m、速度300km/h飞行时低精度压电陀螺输出的补偿前角速度(或称原始角速度)为曲线I，图中可以看出陀螺的零偏为1.0～1.5°/s。运用本发明的补偿方法，陀螺输出的补偿后角速度为曲线II，图中可以看出陀螺的零偏基本为0°/s。本发明通过与载体运动状态相结合的陀螺零偏补偿方法能够将低精度压电陀螺输出的角速度信息精度提高了一个数量级。

本发明提出一种适用于低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿方法，利用了陀螺在载体直线运动过程中的输出角速度均值接近0°/s，并以10s内陀螺输出角速度零偏稳定的原理，以及结合载体的运动状态及陀螺运行状态时输出角速度信息来进行陀螺的零偏实时估计与补偿，从而达到提高低精度压电陀螺输出角速度信息的精度。解决现有低精度压电陀螺零偏较大、噪声较大造成的航姿系统误差较大的问题。

Claims (6)

1.一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：信息采集单元(2)对低精度压电陀螺(1)输出的角速度信息ω₀进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω₁；角速度消噪处理单元(3)对接收的数字角速度信息ω₁采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω₂；角速度补偿单元(4)对接收的降噪角速度信息ω₂采用与载体直线运动状态相结合进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω₃。

2.根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：所述汤姆松奇异值剔除方法中包括有角速度采样点的个数N、N个角速度采样点的平均值

、N个角速度采样点的单个采样点x_i、当前时刻k的采样点x_k、N个角速度采样点的方差S²、当前时刻k角速度相对于N个角速度采样点平均值

的偏离程度τ和角速度野点剔除阈值t′；

所述平均值 $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$ ，所述方差 $S^2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2$ ，所述偏离程度 $\mathrm{\τ}=\frac{x_k-\stackrel{\‾}{x}}{S},$ 所述角速度野点剔除阈值 $t^{\′}=\frac{\mathrm{\τ}\sqrt{N-2}}{\sqrt{N-1-}{\mathrm{\τ}}^2}.$

3.根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：所述五点一次平滑满足第二关系式H，所述第二关系式 $H=\frac{1}{5}(Y_{k-2}+Y_{k-1}+Y_k+Y_{k+1}+Y_{k+2})$ ，式中，k表示当前时刻，Y表示在当前时刻k对称分布的连续五个采样点。

4.根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：所述角速度补偿单元(4)输出的补偿后角速度信息ω₃绝对值是0.01～0.05°/s。

5.根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：所述角速度补偿单元(4)中零偏补偿量Δω采用判断层、分析层、应用层的三段分析法进行陀螺输出补偿；其中，判断层是对当前时刻k获得的零偏补偿量Δω_k进行求解与数据保存；分析层是对判断层中的零偏补偿量Δω_k与阈值ε比较，获得表征载体直线运动状态的零偏补偿量Δω；应用层是采用分析层中的零偏补偿量Δω进行陀螺的零偏补偿与输出跟踪。

6.根据权利要求5所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于：所述阈值ε的取值为0.1～0.3°/s。

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