CN105486328A - 一种抑制陀螺仪漂移的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制陀螺仪漂移的方法，采用了新的稳定控制算法结构，在现有位移环以及速度环控制方法的基础上，引入了稳定平台惯性姿态角位移环反馈，摆脱了对陀螺输出模型的依赖，降低了计算量，提高了控制系统实时性。并且将稳定位移环和稳定平台惯性姿态角度相融合，将稳定位移环无法弥补的由于陀螺漂移产生的位移量映射于稳定平台惯性姿态角位移环，不仅可以补偿外界扰动引起的误差，还能对由于陀螺漂移引起的平台漂移量进行补偿，最终实现无漂移的控制目的。

Description

一种抑制陀螺仪漂移的方法及装置
技术领域
本申请涉及机械控制技术领域，尤其涉及一种抑制陀螺仪漂移的方法及装置。
背景技术
陀螺稳定平台是通过陀螺仪感应载体的速度扰动，使控制器不断地调整被稳对象保持惯性空间稳定的装置。提高陀螺仪和惯导模块等传感器的精度对于提高惯性稳定平台的稳定精度十分重要，但是对陀螺精度要求越高成本也会相应增加，如何在不增加陀螺成本的前提下，通过算法补偿陀螺随机漂移从而抑制稳定平台的随机运动是当前研究的重点。
目前，一般纠正陀螺漂移的处理方法是对陀螺输出数据进行处理，通过数据处理抑制稳定平台的漂移，常用处理方法有陀螺滤波技术和陀螺数据校零技术。详细介绍如下：
陀螺滤波技术：一般的处理方法是建立陀螺输出随机误差模型，然后采用各种滤波技术进行补偿，这些滤波技术包括粒子滤波及其改进算法、小波神经网络滤波算法等。粒子滤波不受高斯分布条件的限制，不需要对非线性系统状态做过多约束，适用于处理非线性漂移。但是，随着迭代次数增加，粒子丧失多样性，即出现粒子数匮乏，最终导致滤波效果不理想，也因此出现了一些改进的粒子滤波算法，但大多数都只是处于算法推导和模型仿真阶段。小波神经网络去噪法分为两种：松散型和融合型。松散型是小波分析对神经网络的输入进行初步处理，使得输入神经网络的信息更易于神经网络进行处理。融合型是小波和神经网络直接融合，即小波元代替神经元，输入层到隐含层的权值及隐含层阈值分别由小波函数的尺度和平移参数所代替。由于融合型小波神经网络结合了小波变换良好的时频局部化性质和人工神经网络的自学习能力，因而具有较强的逼近和容错能力。目前来说，此种滤波方法还处于理论研究阶段，而且相对于其他的滤波方法，小波神经网络滤波方法计算较复杂，工程实现难度较大。
陀螺数据校零技术：陀螺输出数据的随机漂移量包括量化噪声、零偏、零偏不稳定、角速度随机游走系数等，且受外部环境等多种不确定因素影响，具有随机性、非线性和延时性，想要建立其精确模型具有很大难度。通过惯导模块输出的角度姿态数据判断稳定平台的漂移程度以及漂移方向，然后对陀螺输出数据进行不断纠正，直到惯导模块输出角度姿态数据不再变化为止，这种方法原理简单，实现起来较为容易，但是由于陀螺数据的随机游走受环境等不确定因素影响而不断变化，所以只能在一定程度上抑制平台漂移的程度，不能完全消除，且对陀螺输出数据不断纠正会导致稳定平台稳定精度下降。
现有技术方法通过对陀螺数据滤波来抑制平台漂移，数学模型复杂且计算量大，滤波后的陀螺数据有较大延时，导致控制系统实时性变差，系统稳定精度下降。针对上述问题，本发明通过加入惯性姿态角度位移环反馈从而对纠正陀螺漂移的算法结构进行了全方位优化，彻底摆脱了对陀螺输出模型的依赖，降低了计算量，提高了控制系统的实时性。
但是，现有技术方法大多仅采用陀螺数据作为滤波算法的数据源，无法保证纠正陀螺漂移以及陀螺稳定平台漂移的精确性。
发明内容
本发明实施例提供了一种抑制陀螺仪漂移的方法及装置，用以解决现有技术中大多仅采用陀螺数据作为滤波算法的数据源，无法保证纠正陀螺漂移以及陀螺稳定平台漂移的精确性的问题。
其具体的技术方案如下：
一种抑制陀螺仪漂移的方法，所述方法包括：
获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，其中，所述扰动角速度为稳定平台相对于惯性空间的扰动角速度；
获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将所述第二绝对位移值与所述第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量；
根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总位移偏移量；
根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总位移偏移量向趋近零的方向运动。
可选的，根据所述扰动角速度得到位移偏移量，包括：
将所述陀螺仪初始积分值设置为预定阈值；
将采集到的扰动角速度在本控制周期内进行积分，将积分结果作为所述位移偏移量。
可选的，获取惯性导航模块传感器本周期输出的第一绝对位移值以及下一周期输出的第二绝对位移值，包括：
获取惯性导航模块传感器在本控制周期输出的第一方位角数据以及第一俯仰角数据，并将所述第一方位和俯仰角数据作为所述第一绝对位移值，其中，所述第一绝对位移值为平台相对于惯性空间的绝对位移值；
获取惯性导航模块传感器在下一控制周期输出的第二方位和俯仰角数据，并将所述第二方位和俯仰角数据作为所述第二绝对位移值。
可选的，根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪的方位电机以及俯仰电机，具体为：
将所述总位移偏移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪的方位电机以及俯仰电机的转动。
可选的，在根据所述总偏移量控制所述陀螺仪的方位电机以及俯仰电机之后，所述还方法包括：
检测本控制周期未补偿的位移偏移量；
将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上。
一种抑制陀螺仪漂移的装置，包括：
获取模块，用于获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将所述第二绝对位移值与所述第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量，其中，所述扰动角速度为稳定平台相对于惯性空间的扰动角速度；
处理模块，用于根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总位移偏移量；根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪稳定平台的总位移偏移量向趋近零的方向运动。
可选的，所述处理模块，具体用于将所述陀螺仪初始积分值设置为预定阈值；将采集到的扰动角速度在本控制周期内进行积分，将积分结果作为所述位移偏移量。
可选的，所述获取模块，具体用于获取惯性导航模块传感器在本控制周期输出的第一方位角数据以及第一俯仰角数据，并将所述第一方位和俯仰角数据作为所述第一绝对位移值，获取惯性导航模块传感器在下一控制周期输出的第二方位和俯仰角数据，并将所述第二方位和俯仰角数据作为所述第二绝对位移值。
可选的，所述处理模块，具体用于将所述总位移偏移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机的转动。
可选的，所述处理模块，还用于检测本控制周期未补偿的位移偏移量；将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上。
本发明实施例中提供了一种陀螺仪漂移控制方法，采用了新的稳定控制算法结构，在现有位移环以及速度环控制方法的基础上，引入了稳定平台惯性姿态角位移环反馈，摆脱了对陀螺输出模型的依赖，降低了计算量，提高了控制系统实时性。并且将稳定位移环和稳定平台惯性姿态角度相融合，将稳定位移环无法弥补的由于陀螺漂移产生的位移量映射于稳定平台惯性姿态角位移环，不仅可以补偿外界扰动引起的误差，还能对由于陀螺漂移引起的平台漂移量进行补偿，最终实现无漂移的控制目的。
附图说明
图1为本发明实施例中一种抑制陀螺仪漂移的方法的流程图；
图2为本发明实施例中抑制漂移控制算法的结构示意图；
图3为本发明实施例中陀螺仪运动模拟示意图；
图4为本发明实施例中一种抑制陀螺仪漂移的装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例中提供了一种抑制陀螺仪漂移的方法，该方法包括：获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，获取惯性导航模块传感器本周期输出的第一绝对位移值以及下一周期输出的第二绝对位移值，将所述第二位移值与所述第一位移值的差值作为位移绝对偏移量；根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总偏移量；根据所述总偏移量控制所述陀螺仪的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总偏移量向趋近零的方向运动。
在本发明实施例中通过对惯性姿态位移的计算，与陀螺仪数据进行融合处理，对漂移位移量进行纠正，实现无漂移的目的，提升了稳定系统的实时性以及纠正陀螺仪漂移的准确性。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征只是对本发明技术方案的说明，而不是限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征可以相互组合。
如图1所示为本发明实施例中一种抑制陀螺仪漂移的方法的流程图，该方法包括：
S101，获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量；
S102，获取惯性导航模块传感器本周期输出的第一绝对位移值以及下一周期输出的第二绝对位移值，将所述第二位移值与所述第一位移值的差值作为位移绝对偏移量；
S103，根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总偏移量；
S104，根据所述总偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总偏移量向趋近零的方向运动。
具体来讲，在本发明实施例中，采用了稳定位移环和稳定平台惯性姿态角相结合的稳定控制方法，与现有位移环以及速度环控制方法有结构上的不同，引入了稳定平台惯性姿态角位移环反馈，摆脱了对陀螺随机误差输出数学模型的依赖，降低了计算量，提高了控制系统实时性，算法结构参考图2；
基于图2所述的结构，首先获取陀螺仪输出的原始数据，该原始数据为稳定平台受到相对惯性空间的扰动角速度，将该角速度在控制周期上积分，将积分结果作为位移偏移量。
比如说，如图3所示，稳定开启时刻瞬间，陀螺积分值△θ陀螺设为零，并将采集的本控制周期陀螺敏感的惯性空间扰动角速率wr在控制周期△t内积分，即可得到本控制周期内平台相对于惯性空间的位移量△θ陀螺＝wr×△t。
在获取到位移偏移量之后，获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将第二绝对位移值与第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量。
比如说，如图3所示，开启稳定时刻，获取本控制周期内惯性导航模块传感器输出的方位和俯仰角度数据θr(k)和下一个控制周期内采样得到的角度值θr(k＋1),这里的θr(k)就表征第一绝对位移值，θr(k＋1)表征第二绝对位移值，根据第一绝对位移以及第二绝对位移值，可以得到本控制周期内的位移变化量△θ平台＝θr(k+1)-θr(k)该位移变化量为开启稳定后，平台相对惯性空间的位移绝对漂移量，与获得的位移偏移量相比，该绝对位移漂移量剔除了陀螺漂移带来的影响。
在得到位移漂移量以及绝对位移漂移量之后，将位移漂移量以及绝对位移漂移量之和作为总位移漂移量。即：△θ偏移＝△θ陀螺+△θ平台；这里的△θ偏移就表征了总位移漂移量。
在获取总位移漂移量之后，将总位移漂移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪的方位电机以及俯仰电机的转动。
具体来讲，位移偏移量作为稳定位移环的输入值，采用经典PID控制方法控制方位和俯仰电机转动，使得△θ偏移向趋近于零的方向运动，补偿平台相对惯性空间的位移偏移量，保持惯性空间视轴绝对静止，没有漂移；
进一步来讲，在本发明实施例中，在一个控制周期进行调控之后，方位电机和俯仰电机通过运动弥补的位移偏移量往往小于稳定平台实际的位移偏移量，即：θ偏移(k)_θ偏移(k+1)≠0这时装置将检测本控制周期未补偿的位移偏移量，将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上，在下一个控制周期继续补偿，直至补偿完成为止。不仅可以补偿外界扰动引起的误差，还能对由于陀螺漂移引起的平台漂移量进行补偿，最终实现无漂移的控制目的。
综上来讲，在本发明实施例所提供的方法中，采用了新的稳定控制算法结构，在现有位移环以及速度环控制方法的基础上，引入了稳定平台惯性姿态角位移环反馈，摆脱了对陀螺输出模型的依赖，降低了计算量，提高了控制系统实时性。并且将稳定位移环和稳定平台惯性姿态角度相融合，将稳定位移环无法弥补的由于陀螺漂移产生的位移量映射于稳定平台惯性姿态角位移环，不仅可以补偿外界扰动引起的误差，还能对由于陀螺漂移引起的平台漂移量进行补偿，最终实现无漂移的控制目的。
对应本发明实施例中一种陀螺仪位移控制漂移控制方法，本发明实施例中还提供了一种抑制陀螺仪位移的装置，如图4所示为本发明实施例中一种陀螺仪漂移控制装置的结构示意图，该装置包括：
获取模块401，用于获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将所述第二绝对位移值与所述第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量，其中，所述扰动角速度为稳定平台相对于惯性空间的扰动角速度；
处理模块402，用于根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总位移偏移量；根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总位移偏移量向趋近零的方向运动。
进一步，在本发明实施例中，所述处理模块402，具体用于将所述陀螺仪初始积分值设置为预定阈值；将采集到的扰动角速度在本控制周期内进行积分，将积分结果作为所述位移偏移量。
进一步，在本发明实施例中，所述获取模块401，具体用于获取惯性导航模块传感器在本控制周期输出的第一方位角数据以及第一俯仰角数据，并将所述第一方位和俯仰角数据作为所述第一绝对位移值，获取惯性导航模块传感器在下一控制周期输出的第二方位和俯仰角数据，并将所述第二方位和俯仰角数据作为所述第二绝对位移值。
进一步，在本发明实施例中，所述处理模块402，具体用于将所述总位移偏移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机的转动。
进一步，在本发明实施例中，所述处理模块402，还用于检测本控制周期未补偿的位移偏移量；将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种抑制陀螺仪漂移控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，其中，所述扰动角速度为稳定平台相对于惯性空间的扰动角速度；
获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将所述第二绝对位移值与所述第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量；
根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总位移偏移量；
根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总位移偏移量向趋近零的方向运动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述扰动角速度得到位移偏移量，包括：
将所述陀螺仪初始积分值设置为预定阈值；
将采集到的扰动角速度在本控制周期内进行积分，将积分结果作为所述位移偏移量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取惯性导航模块传感器本周期输出的第一绝对位移值以及下一周期输出的第二绝对位移值，包括：
获取惯性导航模块传感器在本控制周期输出的第一方位角数据以及第一俯仰角数据，并将所述第一方位和俯仰角数据作为所述第一绝对位移值，其中，所述第一绝对位移值为平台相对于惯性空间的绝对位移值；
获取惯性导航模块传感器在下一控制周期输出的第二方位和俯仰角数据，并将所述第二方位和俯仰角数据作为所述第二绝对位移值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机，具体为：
将所述总位移偏移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机的转动。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述总偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机之后，所述还方法包括：
检测本控制周期未补偿的位移偏移量；
将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上。
6.一种抑制陀螺仪漂移的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取陀螺仪输出的扰动角速度，并根据所述扰动角速度得到位移偏移量，获取惯性导航模块传感器本控制周期输出的第一绝对位移值以及下一控制周期输出的第二绝对位移值，将所述第二绝对位移值与所述第一绝对位移值的差值作为位移绝对偏移量，其中，所述扰动角速度为稳定平台相对于惯性空间的扰动角速度；
处理模块，用于根据所述位移偏移量以及所述位移绝对偏移量，得到所述总位移偏移量；根据所述总位移偏移量控制所述陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机，以使所述陀螺仪的总位移偏移量向趋近零的方向运动。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于将所述陀螺仪初始积分值设置为预定阈值；将采集到的扰动角速度在本控制周期内进行积分，将积分结果作为所述位移偏移量。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块，具体用于获取惯性导航模块传感器在本控制周期输出的第一方位角数据以及第一俯仰角数据，并将所述第一方位和俯仰角数据作为所述第一绝对位移值，获取惯性导航模块传感器在下一控制周期输出的第二方位和俯仰角数据，并将所述第二方位和俯仰角数据作为所述第二绝对位移值。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于将所述总位移偏移量作为稳定位移环的输入值，并采用比例积分微分PID控制算法控制陀螺仪稳定平台的方位电机以及俯仰电机的转动。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块，还用于检测本控制周期未补偿的位移偏移量；将本控制周期未补偿的位移偏移量累计到下一控制周期的总位移偏移量上。
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