CN105043386B - 光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，属于惯性测量单元的信号处理领域。导航计算机根据其自身的采样周期定时产生触发信号，光纤陀螺接收到导航计算机的触发信号后对闭环输出数据进行计数，同时将数据累加，直至接收到下一触发信号，通过累加值与计数值对各定时周期内的闭环输出数据取平均后再传输给导航计算机；若无导航计算机的触发信号，光纤陀螺也可根据需求自行定时，按一定周期自行产生触发信号，对各周期内的闭环输出数据取平均后盲发给导航计算机。本发明满足了导航计算机变频采样的需求，减小了光纤陀螺与导航计算机异步通信变采样率情况下数据传输的频谱混叠误差，抑制了光纤陀螺振动误差，降低了光纤陀螺及其敏感组件对抗振性的要求。

Description

光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种适用于光纤陀螺的异步通信数据传输方法，更特别地说，是指一种光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，属于惯性测量单元的信号处理领域。

背景技术

惯性测量单元是导航、制导和控制系统的核心，主要由以下几部分组成：陀螺传感器，用于敏感角速度或角度；加速度计传感器，用于敏感比力，从而获得速度、位置的变化量；导航计算机，用于处理陀螺和加速度计传感器数据，形成系统解算所需信息，具体如图1所示。

目前，广泛应用的基于Sagnac效应的干涉式闭环光纤陀螺中，每隔一个τ，闭环输出一个数据，τ为光通过整个光纤线圈的传输时间，一般为μs级。由于实际绕环工艺、温度等外界影响因素，相同光纤线圈长度的不同光纤陀螺仍具有不同的τ值，即不同的光纤陀螺具有不同采样频率的数据输出，且输出数据无法达到完全的时钟同步。综合后续的导航解算效果，导航计算机有其自行设定的数据采样率，一般几ms输出一次角速度信息，且在不同的载体运动情况下，为尽可能的节省资源，导航计算机以不同的采样频率采样，实际工程中某一姿态下的标称频率会产生一定的抖动。由于工程实际中光纤陀螺与导航计算机各自生产调试，时钟晶振一般不同，即使二者使用相同的时钟晶振，温度等外界因素引起的晶振漂移、抖动等也将导致二者产生时间上的同步误差。由于X、Y、Z三轴光纤陀螺与导航计算机互相时钟异步，且光纤陀螺与导航计算机采样率不同，导航计算机变频采样，故导航计算机不同的采样周期内对应的光纤陀螺输出数据个数不同，具体如图2所示，g_x、g_y、g_z三条横线分别代表三个轴(X轴、Y轴和Z轴)光纤陀螺的输出时序，线上每一个节点表示闭环输出数据的时刻，t_k、t_k+1、t_k+2表示导航计算机定时采样时刻，采样周期为h，t_k至t_k+1内X轴光纤陀螺有三个输出数据，而t_k+1至t_k+2内X轴光纤陀螺仅有两个输出数据。从信号频域来说，在此异步通信变采样率的情况下，导航计算机接收信号的频谱较原信号频谱将发生混叠。此外，光纤陀螺的振动导致输出信号中产生高频噪声，该噪声使接收信号频谱混叠情况更加严重，进而导致姿态解算的误差更大。

综上所述，对于工程实际中的捷联惯性测量组合，时钟的不同步、导航计算机的变频率采样及光纤陀螺的振动都将导致光纤陀螺与导航计算机间数据传输发生误差，进而直接导致姿态解算产生误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，可以用于惯性测量单元中光纤陀螺与导航计算机间数据的传输。

本发明的一种光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，将导航计算机各采样周期内对应的光纤陀螺输出数据的均值传输给导航计算机，既降低了时钟异步、导航计算机变频率采样及光纤陀螺振动引起的数据误差，又避免了光纤陀螺闭环输出数据的丢失即保留了最初的载体运动信息。具体实现步骤是：

导航计算机根据其自身的采样周期定时产生触发信号，光纤陀螺接收到导航计算机的触发信号后对闭环输出数据进行计数，同时将数据累加，直至接收到下一触发信号；将计数值和累加值存入专门设立的寄存器中，原计数值、累加值清零并进行新一周期的计数、累加；对累加值寄存器中存入的累加值求平均，并将计算后的数据传输给导航计算机，或将计数值和累加值直接传输给导航计算机，由导航计算机进行均值运算。若无导航计算机的触发信号，光纤陀螺也可根据需求自行定时，按一定周期自行产生触发信号，对各周期内的闭环输出数据取平均后盲发给导航计算机。

本发明的光纤陀螺的异步通信数据传输方法优点在于：通过光纤陀螺中心处理器中滤波器模块实现了光纤陀螺向导航计算机传输数据时采样定时主体的切换，满足了导航计算机变频采样的需求，减小了光纤陀螺与导航计算机异步通信变采样率情况下数据传输的频谱混叠误差，一定程度上抑制了光纤陀螺振动误差，降低了光纤陀螺及其敏感组件对抗振性的要求。

附图说明

图1是惯性测量单元的构成框图。

图2是光纤陀螺与导航计算机异步通信示意图。

图3是本发明类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法的整体流程图。

图4是本发明光纤陀螺数据盲发的时序图。

图5是本发明光纤陀螺数据类盲发的时序图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，滤波器模块内嵌在光纤陀螺或导航计算机的中心处理器中，该中心处理器可选择为FPGA处理器芯片、DSP处理器芯片或者是单片机。本发明可根据导航计算机的具体需求使光纤陀螺进行定时切换，当光纤陀螺使用自身时钟定时，盲发处理后的数据；当光纤陀螺根据导航计算机的时钟定时，变滤波滑窗长度处理数据后再类盲发传输；导航计算机也可以接收光纤陀螺全部闭环输出数据后自行对其变滤波滑窗长度处理。以光纤陀螺通过FPGA处理器芯片作为其中心处理器处理数据为例，本发明提供的异步通信数据传输方法具体包括以下步骤：

第一步：光纤陀螺判断是否有导航计算机的时钟触发信号，称为外部触发信号，如图3所示，若无外部触发信号，光纤陀螺根据自身时钟进行数据盲发，执行第二步；若有外部触发信号，根据该外部触发信号进行类盲发变滤波滑窗长度数据处理，执行第三步。

第二步：无外部触发信号，如图4所示：光纤陀螺根据自身时钟产生一个固定周期的内部定时信号，检测到定时信号后，将定时信号周期内的光纤陀螺的闭环输出数据累加得到累加值，同时对定时信号周期内的闭环输出数据的个数进行计数得到计数值；下一定时信号到来后，将累加值和计数值分别存入累加值寄存器和计数值寄存器中，原累加值、计数值清零并开始新一周期的累加、计数，图中h为光纤陀螺内部定时信号的周期，τ为光纤陀螺闭环输出数据的周期，N_q,N_q+1,N_q+2……为相应定时周期内的计数值。

第三步：有外部触发信号，如图5所示：光纤陀螺检测到外部触发信号后，分两部分同时对闭环输出数据进行处理：一部分采用固定滤波滑窗长度，对闭环输出数据滑动滤波；另一部分依托外部定时，将闭环输出数据累加，同时对闭环输出数据个数进行计数。由于依托外部定时，光纤陀螺时钟与导航计算机时钟存在同步误差，各定时周期内的计数值不同。为避免工程实际中导航计算机定时故障或τ值变化导致的计数值过小或过大，根据τ值和导航计算机的采样周期设定一定长度的计数值区间[N_min,N_max]，作为RAM存储器中部分存储单元的地址。(例如τ为1.5μs，导航计算机的采样周期为0.5ms，则正常情况下依托外部定时的各定时周期内计数值为333或334，可设定计数值区间为[302,365]，区间长度为64。)如图5中t_k至t_k+1时间段内所示，计数值N_min≤N_q≤N_max，将累加值存入光纤陀螺中专门设立的累加值寄存器中，按计数值寻找RAM中相应地址的存储单元，原计数值、累加值清零并进行新一周期的计数、累加；如图5中t_k+1至t_k+2时间段内所示，定时信号的周期h过长，计数值N_q＝N_max时，停止闭环输出数据的累加、计数，将累加值存入累加值寄存器中，按N_max寻找RAM存储器中相应地址的存储单元，原计数值、累加值清零并等待下一外部触发信号的到来，进行新一周期的计数、累加；如图5中t_k+2至t_k+3时间段内所示，计数值N_q＜N_min时已检测到下一外部触发信号，将固定滑窗长度的滑动滤波值传输给导航计算机，原累加值、计数值清零并开始新一周期的累加、计数。

第四步：若无外部触发信号，将累加值寄存器中存入的累加值与相乘，计算后的结果右移M位，然后传输给导航计算机。其中，N_q为计数值寄存器中的计数值，符号[]为取整运算。

若有外部触发信号，将累加值寄存器中存入的累加值与RAM存储器中对应存储单元的存储值相乘，计算后结果右移M位，然后传输给导航计算机。地址在N_min≤N_q≤N_max范围内的RAM存储器中存储值为其中，符号[]为取整运算。

FPGA处理器芯片内部有乘法器单元，故将累加值除以计数值转换为累加值与计数值的倒数相乘；为提高均值的精度，将计数值的倒数扩大2^M倍，相乘后再将最终计算结果右移M位，以保证光纤陀螺闭环输出数据的标度不变。

由于FPGA处理器芯片内部有乘法器单元，本发明中采用寻址、乘以计数值倒数的方式，其中，RAM存储器可用一段或多段存储单元进行计数值的存储；若中心处理器选择DSP处理器芯片或单片机，直接将光纤陀螺的闭环输出数据的累加值除以计数值即可。若由导航计算机处理数据，可将计数值和累加值直接传输给导航计算机进行均值运算；或将光纤陀螺闭环输出数据全部传输至导航计算机进行处理，具体处理方法同上。

Claims (3)

1.光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，其特征在于：

第一步：光纤陀螺判断是否有导航计算机的时钟触发信号，称为外部触发信号，若无外部触发信号，光纤陀螺根据自身时钟进行数据盲发，执行第二步；若有外部触发信号，根据该外部触发信号进行类盲发变滤波滑窗长度数据处理，执行第三步；

第二步：无外部触发信号，光纤陀螺根据自身时钟产生一个固定周期的内部定时信号，检测到定时信号后，将定时信号周期内的光纤陀螺的闭环输出数据累加得到累加值，同时对定时信号周期内的闭环输出数据的个数进行计数得到计数值；下一定时信号到来后，将累加值和计数值分别存入累加值寄存器和计数值寄存器中，原累加值、计数值清零并开始新一周期的累加、计数；

第三步：有外部触发信号，光纤陀螺检测到外部触发信号后，分两部分同时对闭环输出数据进行处理：一部分采用固定滤波滑窗长度，对闭环输出数据滑动滤波；另一部分依托外部定时，将闭环输出数据累加，同时对闭环输出数据个数进行计数；

根据τ值和导航计算机的采样周期设定计数值区间[N_min,N_max]，作为RAM存储器中部分存储单元的地址；τ为光纤陀螺闭环输出数据的周期；

第四步：若无外部触发信号，将累加值寄存器中存入的累加值与相乘，计算后的结果右移M位，然后传输给导航计算机；其中，N_q为计数值寄存器中的计数值，符号[]为取整运算；

若有外部触发信号，将累加值寄存器中存入的累加值与RAM存储器中对应存储单元的存储值相乘，计算后结果右移M位，然后传输给导航计算机；地址在N_min≤N_q≤N_max范围内的RAM存储器中存储值为其中，符号[]为取整运算。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，其特征在于：光纤陀螺采用FPGA处理器芯片，FPGA处理器芯片内部有乘法器单元，故将累加值除以计数值转换为累加值与计数值的倒数相乘；并将计数值的倒数扩大2^M倍，相乘后再将最终计算结果右移M位。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺类盲发变滤波滑窗长度的异步通信数据传输方法，其特征在于：光纤陀螺采用DSP处理器芯片或单片机，直接将光纤陀螺的闭环输出数据的累加值除以计数值即可；若由导航计算机处理数据，将计数值和累加值直接传输给导航计算机进行均值运算；或将光纤陀螺闭环输出数据全部传输至导航计算机进行处理。