CN102506859B - 三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统 - Google Patents

Abstract

一种三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统，用于实现三轴惯性稳定平台角速率信息的高精准采集，为平台高精度控制提供反馈基准。其中陀螺信号采集电路包括信号放大电路、信号传输电路、电压限幅电路以及DSP模数转换电路；信号滤波模块包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分。本发明通过将微弱的陀螺电压信号进行适当放大、滤波，并转化为电流信号传输，经过电压限幅后进入DSP的AD通道进行原始模拟信号采集，再通过信号滤波模块提取出有用信息，从而转化为平台框架角速率真值。

Description

三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统

技术领域

本发明涉及一种三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统，属于高分辨率航空对地观测系统领域，可用于稳定精度要求高的三轴惯性稳定平台的陀螺信号采集和信号滤波，特别适合于轻小型高分辨率航空遥感三轴惯性稳定平台。

背景技术

惯性稳定平台是实现高分辨率对地观测的必要设备，它可以有效隔离飞行平台的扰动及非理想姿态运动，使观测载荷视轴指向和航向始终保持惯性空间稳定。目前，国外代表性产品为瑞士Leica公司的PAV30和PAV80，而国内相关研究刚刚起步，无成熟产品。

现有的三轴惯性稳定平台陀螺采集电路和信号滤波方法没有给出陀螺信号的增益系数和零偏系数的标定方法和信号滤波方法，无法消除噪声和抖动影响。另外，信号放大电路没有考虑地电位浮动的影响，在电路噪声影响下地电位的变化直接引入到测量环节，造成有用信息测量准确度下降；同时差动运算放大器没有顾及共模抑制问题，耦合的噪声较大；信号传输电路的信号接口端采用单线传输方式，易受其它信号干扰；电压限幅时直接将上限电压接入基准源电压，下限电压接入地，这样由于基准源阻抗较小，当输入电压超过饱和值时都会抬高或拉低基准源电压而失去限幅作用，同时可能损坏其它电路，造成可靠性下降。

发明内容

本发明的目的是提出一种三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统，消除了噪声和抖动影响，同时提高了测量准确度。

本发明的技术解决方案：一种三轴惯性稳定平台陀螺信号采集电路及信号滤波系统，包括：光纤速率陀螺(1)、信号放大电路(2)、信号传输电路(3)、电压限幅电路(4)及DSP(5)：

光纤速率陀螺(1)用于测量平台框架相对于惯性空间的角速率，为平台系统提供速率反馈基准，其输入信号为平台框架相对于惯性空间的角速率，输出信号为正比于角速率大小的差分形式的电压信号，连接到信号放大电路(2)进行电压放大，光纤速率陀螺(1)的供电电源与地由信号放大电路(2)提供；

信号放大电路(2)包括差动运算放大器、电压跟随器及共模抑制电阻电容；光纤速率陀螺(1)输出的差分形式的电压信号经共模抑制电阻电容后连接到信号放大电路(2)的差动运算放大器输入端，经过信号放大、滤波后，输出到信号输出电路(3)；在光纤速率陀螺(1)地端与信号放大电路(2)的差动运算放大器参考电压端接入电压跟随器，可避免低位电压浮动，减小漏电流；

信号输出电路(3)包括电流串联负反馈、差动运算放大器、参考电压以及信号接口端，其输入端为信号放大电路(2)差动运算放大器经放大滤波后的输出端；首先通过电流串联负反馈将电压信号转化为电流信号，然后连接到信号接口端将信号传输到差动运算放大器的输入端，通过电阻将电流信号转化为电压信号，并叠加参考电压，将双向的电压信号转化为纯正向电压信号，输出到电压限幅电路(4)；

电压限幅电路(4)包括上限电压、下限电压以及限幅二极管，其输入端为信号输出电路(3)经差动运算放大器叠加参考电压后的输出端；首先通过基准电压芯片接入电压跟随器生成上限电压，然后将上限电压通过电阻分压接入电压跟随器生成下限电压，上限电压和下限电压分别通过限幅二极管将输入电压进行限幅，输出端连接到DSP(5)内部模数转换电路；

DSP(5)通过模数转换电路采集电压限幅电路(4)输出的信号，并转换数字信号，完成陀螺原始模拟信号采样，然后通过陀螺信号滤波模块完成陀螺信号滤波，将每次DSP(5)读取的电压信号转换得到平滑后的角速率真实值；所述陀螺信号滤波模块包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分，所述在线滑动平均滤波部分将DSP(5)每次所读取的电压信号V_DSP进行平滑去噪，由静态因数标定部分将平滑去噪的电压值V_DSP转化为角速率真实值ω，即ω＝k*(V_DSP-b)，k为增益系数，b为零偏系数，同时静态因数标定部分事先将k和b标定出来。

所述静态因数标定部分中零偏系数b标定如下：利用速率转台来进行标定，保持速率转台静止不动，角速率ω＝0，然后通过DSP(5)的模数转换电路中断采集到电压值V_DSP，分别记录多组数据，每组数据采集2-5分钟，然后对每组采集数据取平均值，之后再对多组数据的平均值求均值，该均值即为零偏系数b。

所述静态因数标定部分中增益系数k标定如下：将速率转台以ω°/s速率旋转，速率转台转动角速率ω精确已知且ω＞0，通过DSP(5)的模数转换电路中断采集2-5分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到ω°/s速率对应电压值用V_ω表示，然后将速率转台以-ω°/s速率旋转，通过DSP(5)的模数转换电路中断采集2-5分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到-ω°/s速率对应电压值用V_-ω表示，之后采用公式

求增益系数k。

所述在线滑动平均滤波部分实现如下：DSP(5)通过内部ADC中断进行数据采样(采样频率可达几十KHZ)，然后判断采样次数，如果采样次数小于设定值，则其值加1，同时对本次采集到的数据进行野值判断，若非野值，则将本次数据存入数组元素中，若为野值，则将滤波后输出值存入数组元素中，最后将数组中所有数据求平均值，作为本次滤波后的输出值；如果采样次数大于或等于设定值，则将采样次数恒等于设定值，同时将数组第一个数据剔除，将后面所有数据前移一位，然后对本次采集到的数据进行野值判断，若非野值，则将本次数据存入数组末尾元素中，若为野值，则将滤波后输出值存入数组末尾元素中，最后将数组中所有数据求平均值，作为本次滤波后的输出值；依此类推，数组元素不断前移一位，非野值采样结果存入数组末尾，然后求平均值，便得到每次滑动平均滤波后的输出值。

所述信号输出电路(3)中的信号接口端采用“电源-信号-地”的方式进行排列，可有效避免信号干扰。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明给出了详细的陀螺信号增益系数和零偏系数标定和信号滤波方法，包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分。静态因数标定可以有效地将增益系数和零偏系数测出，而不受测量噪声的影响，提高了测量准确度；在线滑动平均滤波可以剔除测量野值，并能够对数据进行平滑处理，消除了噪声和抖动影响。

(2)本发明的信号放大电路在光纤速率陀螺的信号地与差动运算放大器的参考地之间接入了电压跟随器，这样两个地之间通过高阻抗等电位相连，可保证两者之间同时浮动，而不影响输出结果，进一步提高了有用信息测量的准确度；同时，本发明在差动运算放大器输入端接入精密电阻，并在输入端与供电电源、地之间接入精密电容，可以调节电路阻抗和容抗，提高共模抑制比，降低噪声影响。

(3)本发明的信号传输电路的信号接口端不再使用单线形式传输，而是采用“电源-信号-地”的方式进行排列，即每个信号的两侧都由供电电源、地包围，为信号线提供较好的回流路径，同时可以达到一定的电磁屏蔽作用。

(4)本发明的电压限幅电路不再与其它电路共用基准源，而是由独立的稳压管生成上限和下限电压，避免影响其它电路；同时接入电压跟随器，提高输出阻抗，保证当输入电压超过饱和值时可以迅速限幅而不会抬高或拉低基准电位。

附图说明

图1为本发明的信号连接框图；

图2为本发明的信号放大电路；

图3为本发明的信号传输电路；

图4为本发明的电压限幅电路；

图5为本发明的DSP模数转换电路；

图6为本发明的在线滑动平均滤波部分流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光纤速率陀螺1、信号放大电路2、信号传输电路3、电压限幅电路4和DSP5。

光纤速率陀螺1型号为VGA941-3AM，供电电源与地由信号放大电路2提供，光纤速率陀螺1输出的差分电压信号连接到信号放大电路2的共模抑制电阻电容，然后连接到差动运算放大器输入引脚，经过适当放大、滤波后输出到信号传输电路3的电流串联负反馈部分，信号放大电路2的差动运算放大器的地端通过电压跟随器与光纤陀螺的地端相连。信号传输电路3通过电流串联负反馈部分将电压信号转化为电流信号连接到信号接口端进行传输，再通过差动运算放大器并叠加参考电压，将双向电压转化为纯正向电压，输出到电压限幅电路4。电压限幅电路4通过限幅二极管对电压信号进行限幅，幅值由上限电压和下限电压决定，经过电压限幅后输入到DSP模数转换电路。

DSP通过内部ADC中断完成原始模拟信号采集，并通过陀螺信号滤波模块得到平滑后的角速率真值。陀螺信号滤波模块包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分。其中，静态因数标定部分完成将DSP所读取的电压值转化为角速率值的任务：速率陀螺输出正比于角速率的模拟电压，DSP读取到该电压值，并不能直接将该值作为角速率，而是根据公式ω＝k*(V_DSP-b)进行转换，其中，ω为角速率真实值，V_DSP为DSP所读取的电压值，k为增益系数，b为零偏系数。同时静态因数标定部分事先将公式中的k和b求出来。在线滑动平均滤波部分完成将DSP每次所读取的电压信号V_DSP进行平滑去噪的任务：DSP所读取的电压值含有噪声和野值，如果直接采用以上公式ω＝k*(V_DSP-b)得到的角速率存在很大误差，所以必须先对V_DSP进行在线滤波，然后再采用该公式进行计算。所以这两部分都是围绕角速率真实值和原始电压值的关系而展开的。

DSP通过内部ADC中断完成陀螺原始模拟信号采样和陀螺信号滤波。其中，陀螺信号滤波模块包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分。

静态因数标定部分具体如下：

①光纤速率陀螺角速率标度因数用Gyro(单位：伏每度每秒)表示，信号放大电路线性放大倍数用Gain表示，参考电压用REF表示，最终输入到DSP模数转换电路的电压形式为：

V_DSP＝Gain*Gyro*ω+REF           (1)

其中ω为所测角速率值，单位每度每秒。

由公式(1)可以得到DSP模数转换电路所采集到的电压大小V_DSP与所测角速率大小ω成线性关系，不妨假设ω与V_DSP关系式为：

ω＝k*(V_DSP-b)                    (2)

由公式(2)可知只要确定了增益系数k和零偏系数b，便可以通过DSP模数转换电路读取V_DSP值得到所测角速率ω的大小。

②将光纤速率陀螺固定在速率转台上，使其敏感轴与转台转动轴平行，然后将陀螺信号放大电路、信号传输电路、电压限幅电路、DSP模数转换电路分别进行连接。

③零偏系数标定：保持速率转台静止不动(速率转台四周有隔振处理)，即认为公式(2)中角速率ω＝0，然后通过DSP的ADC中断采集原始模拟电压值V_DSP，分别记录5～10组数据，每组数据采集3分钟，然后对每组数据取平均值，之后再对各组数据的平均值求均值，最终得到公式(2)中的零偏系数b。

④增益系数标定：将速率转台以ω°/s速率旋转(速率转台转动角速率ω精确已知且ω＞0)，通过DSP的ADC中断采集3分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到ω°/s速率对应电压值用V_ω表示。然后将速率转台以-ω°/s速率旋转，通过DSP的ADC中断采集3分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到-ω°/s速率对应电压值用V_-ω表示。之后，采用如下公式求增益系数k：

$k=\frac{2*\mathrm{\ω}}{V_{\mathrm{\ω}}-V_{-\mathrm{\ω}}}---\left(3\right)$

在求解增益系数k时，公式(3)可以有效地避免数据噪声和零偏值的影响，保证测量的准确性，现推导如下：

由公式(2)可以得到：

$V_{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\ω}}{k}+b---\left(4\right)$

$V_{-\mathrm{\ω}}=\frac{-\mathrm{\ω}}{k}+b---\left(5\right)$

将公式(4)与公式(5)相减便可以得到公式(3)。采用如上所述的正负方向速率旋转测量方法可以不考虑所测零偏和数据噪声的影响，进一步降低增益系数求解误差。

将转台分别以ω＝±1°/s，ω＝±5°/s，ω＝±10°/s，ω＝±15°/s(可以根据量程选择)旋转，并采用以上所述方法进行测量，得到4组数据，然后求平均值，最终得到公式(2)中的增益系数k。

如图2所示为本发明的信号放大电路2。光纤速率陀螺1连接方式如图P3所示，输入电源+5VA、地AGND，输出电压GyroSignal_Out+、GyroSignal_Out-分别通过精密电阻R10、R11连接到差动运算放大器AD620的输入引脚，放大10倍左右。在光纤速率陀螺1的地AGND和信号放大电路2的差动运算放大器参考电压端接入由高精密运放OP07组成的电压跟随器，可避免低位电压浮动，减小漏电流。电阻R10、R11，电容C18、C19用于提高差动运算放大器的共模抑制能力。该信号放大电路输出端为电压信号GyroSignalOut，连接到信号传输电路3。

如图3所示为本发明的信号传输电路3。采用高精密运放OP07和精密电阻R3、R34组成电流串联负反馈，将信号放大电路2输出的电压信号GyroSignalOut转化为电流信号Gyro+、Gyro-，输出到差动运算放大器AD620，由高精密运放OP184组成基准电压REF_1.024V连接到AD620的参考电压引脚，将双向电压信号转化为纯正向电压信号，其输出端Gyro连接到电压限幅电路4。

如图4所示为电压限幅电路4。由电源电压Power、电阻R3和2.5V稳压管D1生成2.5V的基准电压，连接到由高精密运放OP07组成的电压跟随器，提高输出阻抗，减小信号衰减，生成上限电压V_UP_Limit(其值为2.5V)；上限电压V_UP_Limit通过电阻R24、R25分压并连接到由高精密运放OP07组成的电压跟随器得到下限电压V_DOWN_Limit(其值0.7V左右)。信号传输电路3的输出端Gyro通过电阻R22连接到两个限幅二极管D14、D16，这两个二极管的一侧分别连接到正下限电压进行限幅，输出端为DSP_ADC。

如图5所示为本发明的DSP模数转换电路。DSP选择TI公司浮点型芯片TMS320F28335，它具备32位浮点处理单元、150MHZ的高速数据处理能力、多达12位16通道ADC，可以满足陀螺信号高速采样的需要。DSP的ADC参考电压引脚外接2.048V基准电压，该基准电压由3.3V电压、LM4040-2.0V基准源以及由高精密运放OP184组成的电压跟随器生成。DSP通过内部模数转换电路将陀螺原始模拟电压转化为数字量，通过内部ADC中断完成数据采样和信号滤波。

如图6所示为本发明的在线滑动平均滤波部分流程图。DSP定义一组变量：采样次数Count，本次采样值IN，滤波后输出值OUT，100列的一维数组A[100]，采样次数设定值为100。首先，DSP判断采样次数是否小于100，如果成立则采样次数加1，然后进行野值判断，如果本次采样值与滤波后输出值相差100以上，则将滤波后输出值存入数组A中，如果本次采样值与滤波后输出值相差低于100，则将本次采样值存入数组A中，然后对数组A中所有数据求平均值，作为本次滤波的结果；如果采样次数大于或等于100，则将采样次数恒等于100，然后将数组A中第一个数据剔除，将后99为数据前移一位，然后进行野值判断，如果本次采样值与滤波后输出值相差100以上，则将滤波后输出值存入数组A最末尾元素中，如果本次采样值与滤波后输出值相差低于100，则将本次采样值存入数组A最末尾元素中，然后对数组A中所有数据求平均值，作为本次滤波的结果。采用以上所述在线滑动平均滤波，在剔除野值的同时可以对数据进行平滑处理，消除了噪声和抖动影响。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种三轴惯性稳定平台陀螺信号采集及信号滤波系统，其特征在于包括：光纤速率陀螺（1）、信号放大电路（2）、信号传输电路（3）、电压限幅电路（4）及DSP（5）：

光纤速率陀螺（1）用于测量平台框架相对于惯性空间的角速率，为平台系统提供速率反馈基准，其输入信号为平台框架相对于惯性空间的角速率，输出信号为正比于角速率大小的差分形式的电压信号，连接到信号放大电路（2）进行电压放大，光纤速率陀螺（1）的供电电源与地由信号放大电路（2）提供；

信号放大电路（2）包括差动运算放大器、电压跟随器及共模抑制电阻电容；光纤速率陀螺（1）输出的差分形式的电压信号经共模抑制电阻电容后连接到信号放大电路（2）的差动运算放大器输入端，经过信号放大、滤波后，输出到信号传输电路（3）；在光纤速率陀螺（1）地端与信号放大电路（2）的差动运算放大器参考电压端接入电压跟随器，可避免低位电压浮动，减小漏电流；

信号传输电路（3）包括电流串联负反馈、差动运算放大器、参考电压，以及信号接口端，其输入端为信号放大电路（2）差动运算放大器经放大滤波后的输出端；首先通过电流串联负反馈将电压信号转化为电流信号，然后连接到信号接口端将信号传输到差动运算放大器的输入端，通过电阻将电流信号转化为电压信号，并叠加参考电压，将双向的电压信号转化为纯正向电压信号，输出到电压限幅电路（4）；

电压限幅电路（4）包括上限电压、下限电压以及限幅二极管，其输入端为信号传输电路（3）经差动运算放大器叠加参考电压后的输出端；首先通过基准电压芯片接入电压跟随器生成上限电压，然后将上限电压通过电阻分压接入电压跟随器生成下限电压，上限电压和下限电压分别通过限幅二极管将输入电压进行限幅，输出端连接到DSP（5）内部模数转换电路；

DSP（5）通过模数转换电路采集电压限幅电路（4）输出的信号，并转换数字信号，完成陀螺原始模拟信号采样，然后通过陀螺信号滤波模块完成陀螺信号滤波，将每次DSP（5）读取的电压信号转换得到平滑后的角速率真实值；所述陀螺信号滤波模块包括静态因数标定部分和在线滑动平均滤波部分，所述在线滑动平均滤波部分将DSP（5）每次所读取的电压信号V_DSP进行平滑去噪，由静态因数标定部分将平滑去噪的电压值V_DSP转化为角速率真实值ω，即ω=k*(V_DSP-b)，k为增益系数，b为零偏系数，同时静态因数标定部分事先将k和b标定出来。

2.根据权利要求1所述的三轴惯性稳定平台陀螺信号采集及信号滤波系统，其特征在于：所述静态因数标定部分中零偏系数b标定如下：利用速率转台来进行标定，保持速率转台静止不动，角速率ω=0，然后通过DSP（5）的模数转换电路中断采集到电压值V_DSP，分别记录多组数据，每组数据采集2-5分钟，然后对每组采集数据取平均值，之后再对多组数据的平均值求均值，该均值即为零偏系数b。

3.根据权利要求1所述的三轴惯性稳定平台陀螺信号采集及信号滤波系统，其特征在于：所述静态因数标定部分中增益系数k标定如下：将速率转台以ω°/s速率旋转，速率转台转动角速率ω精确已知且ω>0，通过DSP（5）的模数转换电路中断采集2-5分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到ω°/s速率对应电压值用V_ω表示，然后将速率转台以-ω°/s速率旋转，通过DSP（5）的模数转换电路中断采集2-5分钟数据，然后将该组数据求平均值，得到-ω°/s速率对应电压值用V_-ω表示，之后采用公式

求增益系数k。

4.根据权利要求1所述的三轴惯性稳定平台陀螺信号采集及信号滤波系统，其特征在于：所述在线滑动平均滤波部分实现如下：DSP（5）通过内部ADC中断进行数据采样，然后判断采样次数，如果采样次数小于设定值，则其值加1，同时对本次采集到的数据进行野值判断，若非野值，则将本次数据存入数组元素中，若为野值，则将滤波后输出值存入数组元素中，最后将数组中所有数据求平均值，作为本次滤波后的输出值；如果采样次数大于或等于设定值，则将采样次数恒等于设定值，同时将数组第一个数据剔除，将后面所有数据前移一位，然后对本次采集到的数据进行野值判断，若非野值，则将本次数据存入数组末尾元素中，若为野值，则将滤波后输出值存入数组末尾元素中，最后将数组中所有数据求平均值，作为本次滤波后的输出值；依此类推，数组元素不断前移一位，非野值采样结果存入数组末尾，然后求平均值，便得到每次滑动平均滤波后的输出值。

5.根据权利要求1所述的三轴惯性稳定平台陀螺信号采集及信号滤波系统，其特征在于：所述信号传输电路（3）中的信号接口端采用“电源-信号-地”的方式进行排列，可有效避免信号干扰。

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