CN109211219A - 一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法,该方法包括以下步骤:步骤1、在光纤陀螺仪环仓底部粘贴温度传感器,步骤2、采集光纤陀螺仪零偏输出值及光纤陀螺仪内部温度传感器数据,步骤3、构成温度补偿模型P(t):通过最小二乘法拟合计算得出温度补偿模型P(t)的系数;步骤4、设定温度推移时间△t,并通过上述步骤3进行拟合计算光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,并将光纤陀螺仪温度补偿后最小的残差方差值对应的温度补偿模型P(t)确定为最终温度补偿模型。本发明在现有补偿模型的基础上做出改进,提升了补偿精度,同时模型的阶次没有提高,在工程应用中对光纤陀螺仪的补偿有实际的应用意义。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域,具体涉及一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法。
背景技术
光纤陀螺仪是基于Sagnac效应的角速率测量仪表,其具有结构简单、耐冲击、动态范围大的技术优点,同时具有成本低、寿命长、可靠性高的使用效果,现已被广泛的应用在航空航天、机器人控制、石油煤炭开采等多个领域。当光纤陀螺仪工作环境温度发生变化时,陀螺输出随温度变化发生较大漂移,降低了光纤陀螺仪测量精度。此误差称为Shupe误差,原因是由于光纤环(陀螺核心敏感器件)受温度变化产生的环上非互异相位误差,引起光纤陀螺仪输出值漂移。
可从两个方面着手解决光纤陀螺仪温度漂移误差。一方面从光纤环生产方面入手,这一方面包括改善光纤环绕制技术,优化光纤环工装设计,改善固化用胶特性,这些措施可在光纤环生产中改善温度对环影响。对于已经完成生产的光纤环仅能从另一方面着手,即测试光纤陀螺仪,并对其漂移误差建模补偿。常用温度误差建模方法有多种神经网络模型、模糊逻辑、线性或多项式模型。神经网络等建模方法可得到和良好的补偿精度,但算法复杂不适于工程应用,线性或多项式模型存在阶次低容易欠拟合,阶次过高不具有适用性的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法,本发明具有良好的补偿效果和实用性。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法,该方法包括以下步骤:
步骤1、在光纤陀螺仪环仓底部粘贴温度传感器,将光纤陀螺仪置于高低温温箱内,进行高低温变温试验,
步骤2、采集光纤陀螺仪零偏输出值及光纤陀螺仪内部温度传感器数据,
步骤3、提取步骤2采集到的光纤陀螺仪内部温度传感器数据T1,在时间轴上间隔一个温度推移时间△t,构造温度数据T2,拟合温度数据T1、T2及其各自温度梯度构成温度补偿模型P(t): 为光纤陀螺仪零偏输出值的平均值,通过最小二乘法拟合计算得出温度补偿模型P(t)的系数a、b、c、d;
步骤4、设定温度推移时间△t,并通过上述步骤3进行拟合计算光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,wcha_std=std(bias(t)-P(t)),其中,wcha_std为光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,bias(t)为光纤陀螺仪变温输出,P(t)为温度补偿模型,
步骤5、设定温度推移时间△t的时间范围和间隔步长为10s,算法设定保留光纤陀螺仪温度补偿后较小残差方差值对应的△t,自动循环计算,得到最小残差方差值对应的△t,并将光纤陀螺仪温度补偿后最小的残差方差值对应的温度补偿模型P(t)确定为最终温度补偿模型。
所述步骤1中高低温变温试验为:设置温箱从-40℃至60℃范围内变温,将高低温温箱在-40℃时保温3h,然后以1℃/min的变温速率进行升温,当高低温温箱升温至60℃时,将高低温温箱在60℃时保温3h。
所述步骤1中温度传感器为单总线芯片数字温度计。
所述单总线芯片数字温度计的型号为DS18B20。
所述步骤4中设定温度推移时间△t的时间范围为10-1000s,间隔步长为10s。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明考虑温度、温变速率对光纤陀螺仪温度漂移的影响,使用陀螺原有温度数据构造另一条温度数据,在阶次不增加的前提下,提高了补偿模型对温度影响下零偏漂移补偿的精度,增加了一个不同时间轴的温度数据,提高了模型补偿的准确性,同时不增加系统模型阶数;
(2)本发明采用自适应时间推移算法,在合理时间推移范围内计算得出最优的推移时间,可以根据不同陀螺温度场设定最适合的推移时间,建立最优的补偿模型;
(3)本发明的模型阶数最大为1阶,显著降低了建模难度,仅采用一颗温度传感器,降低了陀螺结构复杂性;
实验证明,通过构造温度曲线建立的温度补偿模型补偿结果与单温度构造的温度补偿模型的补偿结果对比,补偿精度显著提高。并使用此模型补偿同一批次其他陀螺的变温零偏,补偿效果较好,证明补偿适用性较高。本发明一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法工程实现简单,提高实际应用中光纤陀螺仪精度和环境温度适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光纤陀螺仪温度补偿流程示意图。
图2为本发明温度模型补偿前、后及得到的残差值的曲线图。
其中,图2中L1为补偿模型数据曲线;L2为光纤陀螺仪在温度影响下的零偏输出值曲线图;L3为L1、L2曲线上对应时间的值相减后得到的残差值曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示,本实施例新型光纤陀螺仪温度补偿方法,该方法包括以下步骤:
步骤1、在光纤陀螺仪环仓底部粘贴温度传感器,将光纤陀螺仪置于高低温温箱内,进行高低温变温试验:设置温箱从-40℃至60℃范围内变温,将高低温温箱在-40℃时保温3h,然后以1℃/min的变温速率进行升温,当高低温温箱升温至60℃时,将高低温温箱在60℃时保温3h,
步骤2、采集光纤陀螺仪零偏输出值及光纤陀螺仪内部温度传感器数据,
步骤3、提取步骤2采集到的光纤陀螺仪内部温度传感器数据T1,在时间轴上间隔一个温度推移时间△t,构造温度数据T2,拟合温度数据T1、T2及其各自温度梯度构成温度补偿模型P(t): 为光纤陀螺仪零偏输出值的平均值,通过最小二乘法拟合计算得出温度补偿模型P(t)的系数a、b、c、d;步骤4、设定温度推移时间△t,并通过上述步骤3进行拟合计算光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,wcha_std=std(bias(t)-P(t)),其中,wcha_std为光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,bias(t)为光纤陀螺仪变温输出,P(t)为温度补偿模型,将光纤陀螺仪温度补偿后最小的残差方差值对应的温度补偿模型P(t)确定为最终温度补偿模型。
作为优选,本实施例所述步骤1中温度传感器为单总线芯片数字温度计。
作为进一步优选,本实施例所述步骤1中所述单总线芯片数字温度计的型号为DS18B20。
作为更进一步优选,本实施例所述步骤4中设定温度推移时间△t的时间范围为10-1000s,间隔步长为10s。
由图2可知本实施例中残差值相对零偏输出值有明显的减小,证明本实施例温度补偿模型的有效性。
具体应用例:
采用本实施例中构件的温度补偿模型,针对同一批次生产的光纤陀螺仪,对比有、无构造温度补偿模型对陀螺温度漂移补偿结果进行比较,结果见表1:
表1有、无构造温度补偿模型对陀螺温度漂移补偿结果比较表
上述表1表明本方案的补偿模型普遍提升了陀螺仪变温零偏的精度。其中,1#、3#光纤陀螺仪结果显示本方案中的补偿模型将光纤陀螺仪变温零偏的精度由百位提升到千位;4#同样有比较大的提升;2#数据证明本方案补偿模型对残差方差值在千分之8左右的光纤陀螺仪仍然具有减少残差方差的能力。
使用上述1#光纤陀螺仪零偏输出值作为数据分别构造单一温度补偿模型和构造温度补偿模型,使用这两种模型分别对,2#、3#、4#光纤陀螺仪做温度补偿,对比补偿后残差方差值见表2:
表2 1#、2#、3#、4#光纤陀螺仪对比补偿模型补偿后残差结果
表2对比的是单一温度补偿模型与构造温度补偿模型在陀螺仪零偏输出补偿的适用性。以1#陀螺仪零偏值为数据建立单一温度补偿模型与构造温度补偿模型,分别应用两个模型补偿2#、3#、4#陀螺仪零偏输出值,补偿后残差的方差值表明构造温度补偿模型的适用性更加优秀。上述表2表明构造温度补偿模型在补偿2#、3#、4#光纤陀螺仪零偏输出值时有较好的表现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,可以对其进行各种改进并且可以用等效过程替代其中步骤。各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来,本发明不局限于文中公开的特定实施例,在权力要求的范围内所有技术方案均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1、在光纤陀螺仪环仓底部粘贴温度传感器,将光纤陀螺仪置于高低温温箱内,进行高低温变温试验,
步骤2、采集光纤陀螺仪零偏输出值及光纤陀螺仪内部温度传感器数据,
步骤3、提取步骤2采集到的光纤陀螺仪内部温度传感器数据T1,在时间轴上间隔一个温度推移时间△t,构造温度数据T2,拟合温度数据T1、T2及其各自温度梯度构成温度补偿模型P(t): 为光纤陀螺仪零偏输出值的平均值,通过最小二乘法拟合计算得出温度补偿模型P(t)的系数a、b、c、d;
步骤4、设定温度推移时间△t,并通过上述步骤3进行拟合计算光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,wcha_std=std(bias(t)-P(t)),其中,wcha_std为光纤陀螺仪温度补偿后的残差方差值,bias(t)为光纤陀螺仪变温输出,P(t)为温度补偿模型,
步骤5、设定温度推移时间△t的时间范围和间隔步长,算法设定保留光纤陀螺仪温度补偿后较小残差方差值对应的△t,自动循环计算,得到最小残差方差值对应的△t,并将光纤陀螺仪温度补偿后最小的残差方差值对应的温度补偿模型P(t)确定为最终温度补偿模型。
2.根据权利要求1所述的新型光纤陀螺仪温度补偿方法,其特征在于,所述步骤1中高低温变温试验为:设置温箱从-40℃至60℃范围内变温,将高低温温箱在-40℃时保温3h,然后以1℃/min的变温速率进行升温,当高低温温箱升温至60℃时,将高低温温箱在60℃时保温3h。
3.根据权利要求1所述的新型光纤陀螺仪温度补偿方法,其特征在于,所述步骤1中温度传感器为单总线芯片数字温度计。
4.根据权利要求3所述的新型光纤陀螺仪温度补偿方法,其特征在于,所述单总线芯片数字温度计的型号为DS18B20。
5.根据权利要求1所述的新型光纤陀螺仪温度补偿方法,其特征在于,所述步骤4中设定温度推移时间△t的时间范围为10-1000s,间隔步长为10s。
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