CN109974750A - 一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法，属于惯性校准技术领域。首先测试在不同温度和温度变化率下的输出脉冲，进而得到比例因子的值，然后测试在不同温度下，各个转角的零偏量。以环境温度、环境温度与激光器温度差值和温度变化率为输入，以比例因子为输出，对模糊逻辑系统进行训练，利用梯度下降法对模糊权重进行调节，使该系统尽可能逼近真实模型。而温度‑零偏的模型则是由环境温度、环境温度与激光器温度差值和温度变化率为输入，以脉冲数为输出，对另一个模糊逻辑系统进行训练并采用梯度下降法对模糊权重进行调节。最后利用模糊系统逼近的比例因子和零偏对环形激光器的输出进行补偿，能够有效地提高测角精度。

Description

一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法，属于惯性校准技术领域。

背景技术

随着伺服系统的快速发展，伺服转台在军事领域已经得到广泛应用，例如：雷达天线系统，火炮控制系统和机器人系统都离不开伺服转台。可以说转台的性能直接关系到军事武器装备的性能，因此首先必须保证转台的精度，然后才能确保武器装备的精度，这是前提，也是基础。而确保转台精度的唯一有效方法就是按期溯源，定期对转台进行校准。

环形激光器测角法作为一种新型的测角技术，它是基于光学的Sagnac原理，相比于传统的光栅法、激光干涉法、激光自准直法具有小型化、精度高、操作简单、安装便捷等优点。这项技术目前仅仅在美国，俄罗斯和德国得到了一些研究和应用，而国内对于这项技术的研究尚处在起步阶段：中航工业618所生产的环形激光器可满足上限400°/s的角速度测量和静态角度测量；中国计量科学研究院利用四频激光陀螺与圆光栅编码器进行了环形激光精密测角试验，其精度最高优于0.1″。在上述实验中，由于地球自转等因素引起在零位的偏移(零偏)会严重影响环形激光器的测角精度，因此在测量时必须对环形激光器进行现场初始校准以消除零偏对测角的影响。

传统的零偏测量方法是通过在系统零位进行较长时间的测量，计算环形激光器输出脉冲的平均值作为零偏。然而，这种方法主要存在以下两个缺点，一是耗时长，由于当测量的样本足够多时，所计算出的零偏值才能更接近真实值，因此一般要采集环形激光器输出2小时以上；二是当环境改变的时候需要重新测量，尤其是当环境温度变化时，采用平均值法得到的零偏误差较大，不能够用于零偏的补偿和消除。而现有的方法还没有开展对温度和零偏之间关系的研究，不但如此环境温度的改变还会对环形激光器的比例因子产生影响。因此，研究温度与比例因子、零偏的关系对提高环形激光器测角精度具有重要的应用价值和实际意义。

本发明针对上述问题，采用环形激光器对转台现场进行快速校准，提出了基于模糊逻辑系统的温度-比例因子和温度-零偏的建模与补偿方法，经过实验验证，所提出的方法提高了环形激光器的校准精度，为环形激光器测角法在各种复杂环境下的应用奠定了基础。

发明内容

本发明的目的是针对环境温度影响环形激光器测角精度的问题，提供一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法；该方法能够有效地消除环境温度对比例因子和零偏的影响，进而提高环形激光器的测角精度。

本发明提出一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法，首先搭建试验平台，测试在不同温度和温度变化率下的输出脉冲，进而得到比例因子的值，然后测试在不同温度下，各个转角的零偏量。为了构建温度-比例因子的模型，以环境温度、环境温度与激光器温度差值和温度变化率为输入，以比例因子为输出，对模糊逻辑系统进行训练，利用梯度下降法对模糊权重进行调节，使该系统尽可能逼近真实模型。而温度-零偏的模型则是由环境温度、环境温度与激光器温度差值和温度变化率为输入，以脉冲数为输出，对另一个模糊逻辑系统进行训练并采用梯度下降法对模糊权重进行调节。最后利用模糊系统逼近的比例因子和零偏对环形激光器的输出进行补偿，有效地提高了测角精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法，具体步骤如下：

步骤一、将环形激光器安置在转台上，测试在不同温度下的环形激光器的输出脉冲数，进而算得比例因子。测试温度范围为-40℃～55℃；

将环形激光器固定在转台上，每次改变温度，转台需至少运转一周，采集环形激光器的输出脉冲数A，通过下式得到比例因子：

其中，为转台转过的角度；为环形激光器脉冲数；K′为刻度系数；K为比例因子。

步骤二、每次改变温度时，转台需运转一周，转动过程中在任意角度位置处暂停转动，以测得在此角度、此温度下环形激光器的输出脉冲数B，进而算出每个温度下的零偏量。

零偏的计算公式如下：

其中，B^j是激光器的零偏；为j度下的第i秒的脉冲数；n为采样点数；θ为测试地点地理纬度。

步骤三，设计第一模糊逻辑系统，建立温度-比例因子的模型。

利用步骤一采集的温度以及温度对应的脉冲数A对第一模糊逻辑系统进行训练，当逼近误差小于给定值时，结束训练，得到温度-比例因子的模型，该模型的输出为模糊系统逼近的比例因子y(x)。

本发明所设计的模糊逻辑系统是由知识库，模糊器，模糊推理机和解模糊器构成，并采用动量梯度下降算法对该模糊逻辑系统进行训练能够加快训练速度，提高逼近精度。

步骤四，设计第二模糊逻辑系统，建立温度-零偏的模型。

利用步骤二采集的温度，以及温度对应的脉冲数B对第二模糊系统进行训练，当逼近误差小于给定值时，结束训练，得到温度-零偏的模型，该模型的输出为模糊系统逼近的零偏量y′(x)。

此步骤所设计的模糊逻辑系统的构成以及训练方法与上步骤一致。

步骤五，采用步骤三得到的y(x)和步骤四得到的y′(x)，对环形激光器输出进行补偿，能够有效地提高校准精度。

采用训练好的模糊逻辑系统对环形激光器进行补偿，补偿方法如式(3)

其中为环形激光器的输出脉冲，y(x)为模糊系统逼近的比例因子，y′(x)模糊系统逼近的零偏量。

有益效果：

1、本发明利用环形激光测角法实现对现场用转台的校准，不但操作简单，而且环境适应性强，可以在宽的温度范围内使用，还可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子和零偏，从而大大减小了测量误差。

2、本发明提出的基于模糊逻辑系统的温度-比例因子和温度-零偏的建模和补偿方法，是采用动量梯度下降算法对模糊逻辑系统进行训练，能够加快训练速度，提高逼近精度。

3、本发明将实际传感器温度，环境温度以及温度变化率作为输入，通过训练好的模糊逻辑系统，得到比例因子和零偏，将比例因子和零偏补偿至环形激光器的输出端，可以有效消除温度对比例因子和零偏的影响，提高了环形激光器的测角精度。

附图说明

图1为本发明的基于环形激光器的测角结构示意图；

图2为本发明的基于环形激光器的测角流程图；

图3为本发明的模糊逻辑系统；

图4为转台的实际转动位置；

图5为环形激光器测得的角位置；

图6为补偿前和补偿后的测量误差比较；

图7为本发明方法下的测量误差。

具体实施方式

本实施例中，根据发明内容所述方法利用环形激光器对伺服转台进行校准，并设计了模糊逻辑系统对温度-比例因子和温度-零偏进行建模以及补偿，消除了温度变化对环形激光器的影响，提高了校准精度。

实施例1

基于模糊逻辑系统的环形激光器温度-比例因子和温度-零偏的建模及补偿方法，主要分为以下几个步骤：

步骤一、将环形激光器安置在转台上，测试在不同温度下的环形激光器的输出脉冲数，进而算得比例因子。

将环形激光器固定在转台中心位置，激光器的轴心要与转台轴心重合，连接好线路后，打开测试软件，启动环形激光器预热30分钟，然后通过控制转台正转180度再翻转180度的方法消除地球自转和零偏等因素对环形激光器输出的影响，通过下式得到比例因子的值

其中，为转台转过的角度；为环形激光器脉冲数；K′为刻度系数；K为比例因子。

选择温度变化范围-40℃～55℃，每次变化10℃(最后一次变化15℃)；按着上述操作步骤测试不同温度下的环形激光器的输出脉冲数，进而算出比例因子K_i的值，i为对应的温度值。

步骤二、每次改变温度时，转台需运转一周，转动过程中每转动15°角停留1800s，以测得在此角度、此温度下环形激光器的输出脉冲数B，进而算出每个温度下的零偏量。

将转台回到初始位置，以步长为15°转动一周，选择温度变化范围-40℃～55℃，每次变化10℃(最后一次变化15℃)，采集不同温度下环形激光器的脉冲输出数，则零偏的计算公式如下：

其中，B^j是激光器的零偏；为j度下的第i秒的脉冲数；n＝1800为采样点数；θ为测试地点地理纬度。

步骤三，设计第一模糊逻辑系统，以环境温度，环境温度与本体温度差以及温度变化率为输入，比例因子为输出，训练模糊系统，建立温度-比例因子的模型。

模糊逻辑系统具有强大的非线性逼近功能已经被广泛应用，模糊逻辑系统是由知识库，模糊器，模糊推理机和解模糊器构成。知识库存放If-Then规则如下：

Then y is W^l,l＝1,2,…,N

其中x_i和y分别为模糊逻辑系统的输入和输出，和W^l为输入模糊集和输出模糊集；为的隶属度函数；为W^l的隶属度函数。N为If-Then规则数。

根据If-Then规则，模糊逻辑系统可表示如下：

其中为隶属度函数的最大值。

模糊基函数可以定义如下：

使x＝[x₁,…,x_n]^T,φ(x)＝[φ₁(x),…,φ_N(x)]^T,则模糊逻辑系统(6)可表示为

y(x)＝w^Tφ (8)

为了加快模糊系统的训练速度，采用梯度下降算法对模糊权重进行更新：

其中w为模糊权重，γ为动量因子，α为学习速度，e＝K-y(x)为逼近误差。

将步骤一采集的数据分为两组，一组为训练样本，一组为测试样本。以环境温度T，环境温度与本体温度差ΔT以及温度变化率为输入，比例因子K_i为输出，对第一模糊逻辑系统进行训练，当逼近误差|e|≤0.01时，结束训练。对训练好的模糊系统，采用另外一组测试样本进行验证，若逼近误差不符合标准时，则从新训练模糊系统；若逼近误差符合标准时，则认为此模糊系统就能代表温度-比例因子的真实模型。

步骤四，设计第二模糊逻辑系统，以环境温度，环境温度与本体温度差以及温度变化率为输入，零偏量为输出，训练模糊系统，建立温度-零偏的模型。

此步的模糊逻辑系统的设计方法和步骤三一致，则模糊逻辑系统模型为

y′(x)＝w′^Tφ′ (10)

其中 为隶属度函数的最大值，φ_l为模糊基函数。

采用动量梯度下降发对模糊网络进行训练：

其中w′为模糊权重，γ′为动量因子，α′为学习速度，e′＝B-y′(x)为逼近误差。

将步骤二采集的数据分为两组，一组为训练样本，一组为测试样本。以环境温度T，环境温度与本体温度差ΔT以及温度变化率为输入，零偏为输出，对第二模糊逻辑系统进行训练，当逼近误差|e′|≤0.01时，结束训练。对训练好的模糊系统，采用另外一组测试样本进行验证，若逼近误差不符合标准时，则从新训练模糊系统；若逼近误差符合标准时，则认为此模糊系统就能代表温度-零偏的真实模型。

步骤五，对训练好的模糊逻辑系统对环形激光器输出进行补偿，能够有效地提高校准精度。

将实际传感器温度，环境温度以及温度变化率作为输入，通过训练好的模糊逻辑系统，得到比例因子和零偏，则环形激光器测量的角度可由下式得出：

其中为环形激光器的输出脉冲，y(x)为模糊系统逼近的比例因子，y′(x)模糊系统逼近的零偏量。

采用以上方法计算环形激光器测量的角度，可以消除温度对环形激光器的影响，有效地提高了校准精度。

为了验证所提方法的有效性，实施例以带温箱的转台进行了实验验证，具体操作如下：

1.测量参数设置——设置角位置360°×i/24(i＝1，2，3，…，24)，转动次数24次，每次转动从转台的绝对角位置零点开始；测量方向：顺时针(俯视转台)；单步定位保持时间：100s；转速：30°/s。

2.测量开始——每次转动后，在定位稳定状态下记录转台本次转动角位移x_R(i)(i＝1,2,3,…,24)；同时记录陀螺仪本次测得角位移x_G(i)(i＝1,2,3,…,24)。

3.测量结束——转动次数达到设定值后，转台保持当前定位位置；保存转台24次转动角位移值数组；保存陀螺仪24次角位移测量数组。

在不同温度下重复上述操作步骤，搭建模糊逻辑系统，并采用动量梯度法进行训练，将最终得到的结果与不采用本方法得到的结果进行比较，结果如图4至图7所示。

从实验结果图6和图7中可以看出，补偿前的测量精度最大值为-0.28，而采用所提出方法对零偏进行补偿后，测量误差在10^-4量级，因此所提出的基于模糊逻辑系统的补偿方法能够大大提高测量精度，消除温度对于环形激光器比例因子以及零偏的影响。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于模糊逻辑系统的环形激光器温度建模及补偿方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、将环形激光器安置在转台上，测试在不同温度下的环形激光器的输出脉冲数，进而算得比例因子；测试温度范围为-40℃～55℃；

将环形激光器固定在转台上，每次改变温度，转台需至少运转一周，采集环形激光器的输出脉冲数A，通过下式得到比例因子：

其中，为转台转过的角度；为环形激光器脉冲数；K′为刻度系数；K为比例因子；

步骤二、每次改变温度时，转台需运转一周，转动过程中在任意角度位置处暂停转动，以测得在此角度、此温度下环形激光器的输出脉冲数B，进而算出每个温度下的零偏量；

零偏的计算公式如下：

其中，B^j是激光器的零偏；为j度下的第i秒的脉冲数；n为采样点数；θ为测试地点地理纬度；

步骤三，设计第一模糊逻辑系统，建立温度-比例因子的模型；

利用步骤一采集的温度以及温度对应的脉冲数A对第一模糊逻辑系统进行训练，当逼近误差小于给定值时，结束训练，得到温度-比例因子的模型，该模型的输出为模糊系统逼近的比例因子y(x)；

步骤四，设计第二模糊逻辑系统，建立温度-零偏的模型；

利用步骤二采集的温度，以及温度对应的脉冲数B对第二模糊系统进行训练，当逼近误差小于给定值时，结束训练，得到温度-零偏的模型，该模型的输出为模糊系统逼近的零偏量y′(x)；

步骤五，采用步骤三得到的y(x)和步骤四得到的y′(x)，对环形激光器输出进行补偿，能够有效地提高校准精度；

采用训练好的模糊逻辑系统对环形激光器进行补偿，补偿方法如式(3)

其中为环形激光器的输出脉冲，y(x)为模糊系统逼近的比例因子，y′(x)模糊系统逼近的零偏量。