CN107643080A - 一种惯性测量单元信号的采集处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量单元信号的采集处理方法，该方法包括如下步骤：步骤1，将惯性测量单元信号转换为差分脉冲信号；步骤2，通过定时中断的方式采集差分脉冲信号；步骤3，在采集过程中统计脉冲个数，基于脉冲个数，通过离线分析差分脉冲信号的方式得到差分脉冲信号的抖频频率；步骤4，根据差分脉冲信号的抖频频率设计滤波器的阶次和系数；步骤5，利用滤波器对差分脉冲信号进行数字滤波。本发明能够准确采集惯性测量单元的原始信号，通过对原始信号的有效分析而针对性地设计滤波器，该滤波器能够适用于不同精度、不同抖频的惯性测量单元，并能够正确地分离有用信号和干扰信号，因此，本发明具有使用方便、灵活等突出优点。

Description

一种惯性测量单元信号的采集处理方法

技术领域

本发明涉及激光捷联惯组技术领域，更为具体来说，本发明为一种惯性测量单元信号的采集处理方法。

背景技术

激光捷联惯组的寻北及导航精度是武器装备的重要指标之一，它决定着打击瞄准目标的准确度和精度。而提高对激光捷联惯组IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)原始信号的采样准确性，确保激光捷联惯组寻北及导航解算中所使用的惯性测量单元输入数据的可靠性和精度，是保证激光捷联惯组的寻北及导航精度的基础。

但是，对惯性测量单元信号进行采样时，常规的采样方法往往会受到外界噪声的干扰；特别是当惯性测量单元信号较小时，常规的采样方法会导致惯性测量单元信号失真。

因此，如何减小甚至消除获取惯性测量单元信号过程的外界噪声干扰，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为了解决常规的采样方法往往会受到外界噪声的干扰等问题，本发明创新地提出了一种惯性测量单元信号的采集处理方法，通过对原始的采集信号的有效分析，从而针对性地设计FIR滤波器，从而使得该FIR滤波器适用于不同精度、不同抖频的惯性测量单元，并能够正确地分离有用信号和干扰信号，因此，本发明具有使用方便、灵活等突出优点。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种惯性测量单元信号的采集处理方法，所述方法包括如下步骤，

步骤1，将惯性测量单元信号转换为差分脉冲信号；

步骤2，通过定时中断的方式采集所述差分脉冲信号；

步骤3，在采集过程中统计脉冲个数，基于所述脉冲个数，通过离线分析所述差分脉冲信号的方式得到差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4，根据所述差分脉冲信号的抖频频率设计滤波器的阶次和系数；

步骤5，利用所述滤波器对所述差分脉冲信号进行数字滤波，将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板。

与常规的惯性测量单元信号的获取方法相比，本发明不仅能够有效地消除外界噪声干扰，而且通过参数设置FIR滤波器的阶次和滤波参数，以针对不同特性的惯性测量单元的滤波器参数进行设置，从而本发明适用于不同精度、不同抖频的惯性测量单元；因此，本发明具有使用方便、应用灵活等突出优点。

进一步地，步骤1中，所述惯性测量单元信号包括加速度计信号和陀螺信号，并通过IF板将所述加速度计信号转化为加速度计差分脉冲信号、通过倍频鉴相器将所述陀螺信号转化为陀螺差分脉冲信号，所述差分脉冲信号包括加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号；

步骤2中，通过定时中断的方式分别采集所述加速度计差分脉冲信号和所述陀螺差分脉冲信号；

步骤3中，在采集过程中统计正负脉冲个数，采集完成后，计算陀螺正负脉冲个数；基于所述陀螺正负脉冲个数，通过离线分析陀螺差分脉冲信号的方式得到陀螺差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4中，根据加速度计差分脉冲信号设计用于处理加速度计差分脉冲信号的第一FIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号的抖频频率设计用于处理陀螺差分脉冲信号的IIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号设计用于处理陀螺差分脉冲信号的第二FIR滤波器的阶次和系数，所述FIR滤波器包括第一FIR滤波器和第二FIR滤波器；

步骤5中，利用所述第一FIR滤波器对所述加速度计差分脉冲信号进行数字滤波，利用所述IIR滤波器和所述第二FIR滤波器对所述陀螺差分脉冲信号进行数字滤波。

基于上述改进的技术方案，对于常用的惯性测量器件—陀螺和加速度计，本发明能够对陀螺和加速度计的信号分别进行采集，从而针对性地对当前的惯性测量单元信号设计数字滤波器，进而达到更有效地消除噪声的目的，确保激光捷联惯组寻北及解算过程能够使用可靠性好、精度更高的输入数据。

进一步地，步骤1中，所述倍频鉴相器集成于数据采集板内的FPGA器件上，所述数据采集板用于对惯性测量单元信号进行采集，所述IF板连接于所述数据采集板与所述惯性测量单元之间。

基于上述改进的技术方案，本发明通过数据采集板采集惯性测量单元信号，通过单独设置的IF板和集成设置的倍频鉴相器分别转换加速度计信号和陀螺信号，从而达到更准确地获取惯性测量单元原始信号的目的，极大地减小了惯性测量单元信号受到外界噪声影响的可能性。

进一步地，步骤4中，将IIR滤波器和所有FIR滤波器的阶次值和系数值写入数据采集板内的存储器中；

步骤5中，调用数据采集板内的存储器中已存储的IIR滤波器和FIR滤波器的阶次值和系数值，利用所述阶次值和系数值设置IIR滤波器和FIR滤波器，并使用设置完成的滤波器对所述加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号进行数字滤波。

基于上述改进的技术方案，本发明经过多次使用后，能够将已经记录中的IIR和FIR滤波器的阶次值和系数值直接调用，即使待采集对象--惯性测量单元经常发生变化，本发明仍能够快速地对惯性测量单元的原始信号进行有效滤波，特别对于使用频率非常高的某些型号的信号惯性测量单元，本发明的效果更为明显。

进一步地，所述数据采集板内的存储器为EEPROM。

进一步地，所述FIR滤波器和IIR滤波器通过软件实现。

进一步地，步骤3中，将采集的差分脉冲信号发送并存储到调试计算机中，并在调试计算机上通过MATLAB工具中的FDATool工具箱得到差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4中，通过MATLAB工具中的FDATool工具箱设计FIR滤波器的阶次和系数。

进一步地，步骤3中，通过RS422通讯的方式将采集的差分脉冲信号以5KHz的频率发送并存储到调试计算机中。

进一步地，步骤5中，通过RS422通讯的方式将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板。

进一步地，步骤2中，定时中断采用的频率为5KHz。

本发明的有益效果为：本发明能够准确采集惯性测量单元的原始信号，通过对原始信号的有效分析而针对性地设计IIR和FIR滤波器，该滤波器能够适用于不同精度、不同抖频的惯性测量单元，并能够正确地分离有用信号和干扰信号；因此，本发明具有使用方便、灵活等突出优点。

附图说明

图1为惯性测量单元信号的采集处理方法的流程示意图。

图2为惯性测量单元信号的采集处理方法的实施状态示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的惯性测量单元信号的采集处理方法进行详细的解释和说明。

如图1、图2所示，本发明具体公开了一种惯性测量单元信号的采集处理方法，该方法具体包括如下步骤。

步骤1，将惯性测量单元信号转换为用于后续处理和分析的差分脉冲信号；本发明中，惯性测量单元信号包括加速度计信号和陀螺信号，通过IF板将加速度计信号转化为加速度计差分脉冲信号，并通过倍频鉴相器将陀螺信号转化为陀螺差分脉冲信号，本发明中涉及的差分脉冲信号可包括加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号；在本实施例中，倍频鉴相器集成于数据采集板内的FPGA器件上，而数据采集板用于对惯性测量单元信号进行采集，IF板连接于数据采集板与惯性测量单元之间。

步骤2，通过定时中断的方式采集差分脉冲信号，本发明中，可设置硬件定时中断，通过定时中断的方式分别采集加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号，保证每次采集脉冲信号间隔的一致性，从而使采集的IMU数据可靠、可信。本实施例中，定时中断采用的频率为5KHz。

步骤3，在采集过程中统计脉冲个数，基于该脉冲个数，通过离线分析差分脉冲信号的方式得到差分脉冲信号的抖频频率，比如在特定的N个脉冲中，筛选出有用的M个脉冲和无用的N－M个脉冲，其中，N≥M；本实施例中，在采集过程中统计正负脉冲个数，采集完成后，计算陀螺正负脉冲个数；基于陀螺正负脉冲个数，通过离线分析陀螺差分脉冲信号的方式得到陀螺差分脉冲信号的抖频频率。

上述离线分析过程交由调试计算机完成，将采集的差分脉冲信号以及脉冲信号个数发送并存储到调试计算机中，更为具体地，通过RS422通讯的方式将采集的差分脉冲信号以5KHz的频率发送并存储到调试计算机中，并在调试计算机上通过MATLAB工具中的FDATool工具箱得到差分脉冲信号的抖频频率，上述确定滤波器参数的方式具有使用方便、灵活等优点。

步骤4，根据差分脉冲信号的抖频频率设计滤波器的阶次和系数；本实施例中，通过MATLAB工具中的FDATool工具箱设计FIR滤波器的阶次和系数，将IIR滤波器和所有FIR滤波器的阶次值和系数值写入数据采集板内的存储器中，数据采集板内的存储器为EEPROM；根据加速度计差分脉冲信号设计用于处理加速度计差分脉冲信号的第一FIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号的抖频频率设计用于处理陀螺差分脉冲信号的IIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号设计用于处理陀螺差分脉冲信号的第二FIR滤波器的阶次和系数，本发明涉及的FIR滤波器包括第一FIR滤波器和第二FIR滤波器。

由于不同陀螺的抖频频率往往不同，因此每个陀螺的FIR滤波器系数均不相同，需要根据陀螺输出的原始数据分析、设计FIR滤波器，本发明在EEPROM中预留了最多284阶次的FIR滤波器系数存储空间，可通过调试计算机设置滤波器阶次和系数，无需更改软件代码，灵活调节滤波器阶次和系数，根据实际情况改善滤波效果。

步骤5，调用数据采集板内的存储器中已存储的IIR滤波器和FIR滤波器的阶次值和系数值，利用阶次值和系数值设置IIR滤波器和FIR滤波器，并使用设置完成的滤波器对加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号进行数字滤波，本实施例中，将FIR滤波器和IIR滤波器通过软件实现，从而能够快速进行浮点运算，能够进行与采样频率一致频率(本实施例为5KHz)的数字滤波，从而有效地消除抖动高频和随机噪声，然后再将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板。更为具体来说，通过RS422通讯的方式将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板；再利用第一FIR滤波器对加速度计差分脉冲信号进行数字滤波和/或利用IIR滤波器和所述FIR滤波器对所述陀螺差分脉冲信号进行数字滤波。

本发明的惯性测量单元信号的采集处理方法在激光捷联惯组中进行了实施验证，经过试验证明：该方法保证了采集的IMU数据精度，有效满足了激光接连惯组的寻北和导航精度要求，特别对于激光陀螺，本发明测试标称精度0.003°/h的激光陀螺，试验证明采集的陀螺精度达到了标称精度。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“集成”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，

步骤1，将惯性测量单元信号转换为差分脉冲信号；

步骤2，通过定时中断的方式采集所述差分脉冲信号；

步骤3，在采集过程中统计脉冲个数，基于所述脉冲个数，通过离线分析所述差分脉冲信号的方式得到差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4，根据所述差分脉冲信号的抖频频率设计滤波器的阶次和系数；

步骤5，利用所述滤波器对所述差分脉冲信号进行数字滤波，将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：

步骤1中，所述惯性测量单元信号包括加速度计信号和陀螺信号，并通过IF板将所述加速度计信号转化为加速度计差分脉冲信号、通过倍频鉴相器将所述陀螺信号转化为陀螺差分脉冲信号，所述差分脉冲信号包括加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号；

步骤2中，通过定时中断的方式分别采集所述加速度计差分脉冲信号和所述陀螺差分脉冲信号；

步骤3中，在采集过程中统计正负脉冲个数，采集完成后，计算陀螺正负脉冲个数；基于所述陀螺正负脉冲个数，通过离线分析陀螺差分脉冲信号的方式得到陀螺差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4中，根据加速度计差分脉冲信号设计用于处理加速度计差分脉冲信号的第一FIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号的抖频频率设计用于处理陀螺差分脉冲信号的IIR滤波器的阶次和系数，根据陀螺差分脉冲信号设计用于处理陀螺差分脉冲信号的第二FIR滤波器的阶次和系数，所述FIR滤波器包括第一FIR滤波器和第二FIR滤波器；

步骤5中，利用所述第一FIR滤波器对所述加速度计差分脉冲信号进行数字滤波，利用所述IIR滤波器和所述第二FIR滤波器对所述陀螺差分脉冲信号进行数字滤波。

3.根据权利要求2所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：

步骤1中，所述倍频鉴相器集成于数据采集板内的FPGA器件上，所述数据采集板用于对惯性测量单元信号进行采集，所述IF板连接于所述数据采集板与所述惯性测量单元之间。

4.根据权利要求3所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：

步骤4中，将IIR滤波器和所有FIR滤波器的阶次值和系数值写入数据采集板内的存储器中；

步骤5中，调用数据采集板内的存储器中已存储的IIR滤波器和FIR滤波器的阶次值和系数值，利用所述阶次值和系数值设置IIR滤波器和FIR滤波器，并使用设置完成的滤波器对所述加速度计差分脉冲信号和陀螺差分脉冲信号进行数字滤波。

5.根据权利要求4所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：所述数据采集板内的存储器为EEPROM。

6.根据权利要求1或5所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：所述FIR滤波器和IIR滤波器通过软件实现。

7.根据权利要求6所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：

步骤3中，将采集的差分脉冲信号发送并存储到调试计算机中，并在调试计算机上通过MATLAB工具中的FDATool工具箱得到差分脉冲信号的抖频频率；

步骤4中，通过MATLAB工具中的FDATool工具箱设计FIR滤波器的阶次和系数。

8.根据权利要求7所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：

步骤3中，通过RS422通讯的方式将采集的差分脉冲信号以5KHz的频率发送并存储到调试计算机中。

9.根据权利要求8所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：步骤5中，通过RS422通讯的方式将数字滤波后的结果发送至用于寻北和导航解算的导航板。

10.根据权利要求1或9所述的惯性测量单元信号的采集处理方法，其特征在于：步骤2中，定时中断采用的频率为5KHz。