CN110186446B - 一种基于mems陀螺的寻北仪寻北方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法，寻北时，采用如下步骤对寻北仪的采样信号进行温度补偿：实时采集寻北仪内部的温度信号和陀螺仪采样信号；对采集到的温度信号和陀螺仪采样信号进行傅里叶变换，分别得到温度信号的频域信号和采样信号的频域信号；将温度信号的频域信号中基频的幅值与采样信号的频域信号中基频的幅值相除，得到比较系数a；将温度信号的频域信号中各频率的幅值除以比较系数a，得到温度补偿频域信号；将采样信号的频域信号中各频率的幅值减去温度补偿频域信号中相同频率的幅值，得到补偿后的采样信号的频域信号。本发明具有无需事先标定，实现难度较低，补偿时间短，补偿精度高，有利于提高寻北精度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及惯性寻北技术领域，特别的涉及一种基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法。
背景技术
寻北仪作为一种指示方位的仪器，不仅在卫星、导弹、高精度惯性导航系统初始初对准等国防高科技领域得到广泛的应用，而且在地球物理探测、煤矿开采、大地测量、矿山、地下钻井工程、隧道挖掘以及无人驾驶汽车自动驾驶系统、车载定位定向导航系统等民用领域得到广泛应用。
针对煤矿开采、矿山、地下钻井工程、隧道挖掘等民用领域，由于无法获取外界信息辅助，通常采用以陀螺仪为核心的惯性寻北仪，目前，随着技术的发展，基于MEMS陀螺仪的寻北仪逐渐开始使用，目前，基于MEMS陀螺仪的寻北仪由于MEMS陀螺仪的零偏漂移较大，为得到较高的检测精度，通常采用连续旋转调制的方式，通过解调寻北信号，滤去除该旋转惯量以外的其他信号干扰以滤去零偏漂移的影响。然而，MEMS陀螺仪的零偏漂移受温度的影响较大，且温度与零偏漂移呈一定的线性关系。
当前的温度补偿方法是在固定的几个温度环境中，对同一型号的陀螺仪在该温度环境下的零偏漂移进行标定，标定出该温度环境下对应的误差，将其按线性拟合方式对传感器进行补偿，实现难度较大，补偿时间长。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种无需事先标定，实现难度较低，补偿时间短，补偿精度高，有利于提高寻北精度的基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法，其特征在于，寻北时，采用如下步骤对寻北仪的采样信号进行温度补偿：
S1、实时采集寻北仪内部的温度信号和陀螺仪采样信号；
S2、对采集到的温度信号和陀螺仪采样信号进行傅里叶变换，分别得到温度信号的频域信号和采样信号的频域信号；
S3、将温度信号的频域信号中基频的幅值与采样信号的频域信号中基频的幅值相除，得到比较系数a；
S4、将温度信号的频域信号中各频率的幅值除以比较系数a，得到温度补偿频域信号；
S5、将采样信号的频域信号中各频率的幅值减去温度补偿频域信号中相同频率的幅值，得到补偿后的采样信号的频域信号。
由于温度与零偏漂移呈线性关系，即不同温度下，零点漂移的值与温度值之间具有固定的比例关系，同时，温度变化相比于陀螺仪旋转速度较为缓慢，在低频处突出的幅值就是温度变化引起陀螺仪变化的影响，因此，将温度信号的频域信号中基频的幅值与采样信号的频域信号中基频的幅值相除，就可以得到温度值与零点漂移值之间的比较系数a，同时，将温度信号的频域信号中各频率的幅值均处于比较系数a，也就是得到了温度信号的频域信号中各频率所对应的补偿值，最后，将采样信号的频域信号中各频率的幅值减去温度补偿频域信号中相同频率的幅值，就可以充分而完全地去除温度对零点漂移的影响，从而提高寻北精度，该方法无需事先标定，实现难度较低，补偿时间短，补偿精度高。
作为优化，补偿前，先获取如下结构的寻北仪，包括设置在内部的陀螺仪和用于采集内部温度信号的温度传感器。
作为优化，所述温度传感器为贴片式温度传感器，并粘贴在所述陀螺仪上。这样，就可以更加准确地获取到陀螺仪的温度，从而可以更加准确地进行温度补偿，有利于进一步提高寻北精度。
综上所述，本发明具有无需事先标定，实现难度较低，补偿时间短，补偿精度高，有利于提高寻北精度等优点。
附图说明
图1为温度传感器检测到的温度信号的曲线图。
图2为对图1中的温度信号进行傅里叶变换的频谱图。
图3为陀螺仪采样信号的曲线图。
图4为对图3中的采样信号进行傅里叶变换的频谱图。
图5为对图4中的频谱图滤除低频温度干扰信号后的频谱图。
图6为对图5进行反傅里叶变换得到的温度补偿后的陀螺仪采样信号曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：采用如下结构的寻北仪，包括设置有MEMS陀螺仪的转台，和用于驱动所述转台连续转动的步进电机，所述步进电机由步进电机控制器进行控制，本实施例中，步进电机控制器采用支持1/256细分的步进电机控制器，将每圈运动分成256个位置。步进电机每次转动固定的角度并停止，延时等待转台稳定后采集信号，若每步采集一个信号，每圈最多可采集到256个位置的信号。该信号既保留陀螺仪连续旋转调制的旋转惯量，也避免了因转台机械结构导致的抖动/转速不均匀等问题，而且陀螺仪可与步进电机转轴直接相连，结构十分简单。具体实施时，还可以采用伺服电机和伺服电机控制器取代本实施例中的步进电机和步进电机控制器。
MEMS陀螺仪在较短时间存在较大零偏漂移，采用连续旋转的方式将旋转惯量调制进入寻北信号中，通过解调寻北信号，可滤去除该旋转惯量以外的其他信号干扰，通常采用FFT滤波器，可准确保留调制信号。
在MEMS陀螺仪中放置温度传感器，在陀螺仪采集信号的同时，采集温度信号，如图1和图3所示，信号采集完成后，通过FFT变换，可看到由于温度变化相比于陀螺仪旋转速度较为缓慢，在低频处有较突出的幅值出现，该幅值即为温度变化引起陀螺仪变化的影响，如图2和图4所示，陀螺仪采集的信号在FFT变换后减去对应频率处温度变化的FFT复数值，后再求取北向角度，即滤除温度，具体步骤如下：
S1、实时采集寻北仪内部的温度信号(如图1所示)和陀螺仪采样信号(如图3所示)；
S2、对采集到的温度信号和陀螺仪采样信号进行傅里叶变换，分别得到温度信号的频域信号(如图2所示)和采样信号的频域信号(如图4所示)；
S3、将温度信号的频域信号中基频1的幅值与采样信号的频域信号中基频1的幅值相除，得到比较系数a；由于温度与零偏漂移呈线性关系，即不同温度下，零点漂移的值与温度值之间具有固定的比例关系，通过该步骤，可以得到该固定关系。
S4、将温度信号的频域信号中各频率的幅值除以比较系数a，得到温度补偿频域信号；
S5、将采样信号的频域信号中各频率的幅值减去温度补偿频域信号中相同频率的幅值，得到补偿后的采样信号的频域信号(如图5所示)。
然后将采样信号的频域信号变换至时域，即可获得滤去温度影响的采样信号的时域信号(如图6所示)，进而可以解析出寻北角。
周期为1的某离散信号x(n)的傅里叶变换可以表示为：
其中由于温度与MEMS陀螺仪的零偏漂移呈线性关系，温度引起的漂移可写成：
T(x)＝a*f(x)+b
进一步得到：
可看出在除了直流分量的其他频率点上，FFT后的函数为比例关系，而温度变化较为缓慢，经FFT后求取频率为1的基波的幅值，与陀螺仪信号基波为1的幅值比较，即可求出a。
陀螺仪旋转的圈数通常为4圈，需提取的基频信号为：
减去对应的温度引起的漂移后，求取该基波的初始相位角即可求得滤去温度影响的寻北角。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法，其特征在于，寻北时，采用如下步骤对寻北仪的采样信号进行温度补偿：S1、实时采集寻北仪内部的温度信号和陀螺仪采样信号；S2、对采集到的温度信号和陀螺仪采样信号进行傅里叶变换，分别得到温度信号的频域信号和采样信号的频域信号；S3、将温度信号的频域信号中基频的幅值与采样信号的频域信号中基频的幅值相除，得到比较系数a；S4、将温度信号的频域信号中各频率的幅值除以比较系数a，得到温度补偿频域信号；S5、将采样信号的频域信号中各频率的幅值减去温度补偿频域信号中相同频率的幅值，得到补偿后的采样信号的频域信号，将采样信号的频域信号变换至时域解析出寻北角。
2.如权利要求1所述的基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法，其特征在于，补偿前，先获取如下结构的寻北仪，包括设置在内部的陀螺仪和用于采集内部温度信号的温度传感器。
3.如权利要求2所述的基于MEMS陀螺的寻北仪寻北方法，其特征在于，所述温度传感器为贴片式温度传感器，并粘贴在所述陀螺仪上。
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