CN110986915A - 一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法 - Google Patents

一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法 Download PDF

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任宾
师梦艳
丁婵
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Abstract

本发明涉及一种温度漂移实时补偿方法，特别涉及一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，解决了现有采用差分法对有噪声的温度数据进行差分得到的温度变化率噪声较大、采用跟踪微分器法得到的温度变化率延迟较大及采用小波滤波法计算复杂，不易实时计算的技术问题。该方法特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1：采集温度数据与陀螺温度漂移数据；步骤2：编写基于滑窗拟合斜率法计算温度变化率的温度变化率计算程序；根据步骤1采集到的温度数据，利用所述温度变化率计算程序，求取温度变化率；步骤3：建立温度漂移补偿数学模型，求取模型系数；步骤4：编写陀螺数字闭环软件，通过该陀螺数字闭环软件对陀螺温度漂移实时补偿。

Description

一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法
技术领域
本发明涉及一种温度漂移实时补偿方法，特别涉及一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法。
背景技术
光纤陀螺具有抗冲击、灵敏度高、寿命长、动态范围大、启动时间短等优点，已被广泛应用于惯性导航系统中。构成光纤陀螺的部件尤其是光纤环对温度非常敏感,陀螺输出中温度造成的测量误差不容忽视。温度对光纤陀螺性能的影响主要体现在两个方面：噪声和漂移。其中温度漂移是目前光纤陀螺研发中最棘手的问题。对光纤陀螺进行温度特性研究，建立数学模型以实现温度误差补偿对提高陀螺精度具有重要意义。D.M.Shupe对光纤陀螺的温度漂移进行了研究，指出光纤环上的温度变化率引起的非互易性是造成光纤陀螺温度漂移的重要因素，Shupe误差理论是目前光纤陀螺温度补偿方法的理论依据[Shupe DM.Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer[J].Applied Optics,1980,19(5):654-655]。
目前对光纤陀螺温度漂移实时补偿的方法一般是通过建立温度漂移补偿数学模型对温度漂移进行实时补偿。温度漂移补偿数学模型是包含温度、温度变化率以及温度与温度变化率乘积项的多元函数；其中，温度数据通过温度传感器DS18B20采集获取；温度变化率数据根据温度传感器DS18B20采集获取的温度数据，通过特定算法计算获取；当前计算温度变化率的算法一般采用差分法、跟踪微分器法或者小波滤波法。然而差分法对有噪声的温度数据进行差分得到的温度变化率噪声较大；跟踪微分器法得到的温度变化率延迟较大；小波滤波法计算复杂，不易于实时计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，以解决现有采用差分法对有噪声的温度数据进行差分得到的温度变化率噪声较大、采用跟踪微分器法得到的温度变化率延迟较大以及采用小波滤波法计算复杂，不易于实时计算的技术问题。
本发明所采用的技术方案是，一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：采集温度数据与陀螺温度漂移数据
在陀螺的光纤环上贴温度传感器，把陀螺放入温箱中，放置时陀螺敏感轴朝东放置；给陀螺通电，按照陀螺变温环境条件，进行温度试验，采集温度数据与陀螺温度漂移数据；
步骤2：求取温度变化率
编写基于滑窗拟合斜率法计算温度变化率的温度变化率计算程序；根据步骤1采集到的温度数据，利用所述温度变化率计算程序，求取温度变化率；
步骤3：建立温度漂移补偿数学模型，求取模型系数
步骤3.1：建立陀螺温度漂移关于温度、温度变化率以及温度与温度变化率乘积项的温度漂移补偿数学模型；
步骤3.2：将步骤1采集到的温度数据和陀螺温度漂移数据，以及步骤2求取的温度变化率数据带入步骤3.1建立的所述温度漂移补偿数学模型中，利用多元线性回归方法求取模型系数；
步骤4：编写陀螺数字闭环软件，通过该陀螺数字闭环软件对陀螺温度漂移实时补偿
步骤4.1：将滑窗拟合斜率法写入陀螺数字闭环软件中，实现根据采集到的温度数据，实时计算温度变化率的功能；
步骤4.2：将步骤3建立的温度漂移补偿数学模型以及求取的模型系数写入陀螺数字闭环软件中，根据采集到的温度数据，以及步骤4.1实时计算得到的温度变化率数据，实时计算温度漂移补偿量；
步骤4.3：将陀螺温度漂移补偿公式写入陀螺数字闭环软件中，根据陀螺的输出值以及步骤4.2实时计算得到的温度漂移补偿量，计算陀螺经过补偿后的输出值，对陀螺温度漂移实时补偿；所述陀螺温度漂移补偿公式如下式(1)所示：
y′out＝yout-ybuchang (1)；
其中，yout为陀螺的输出值；
ybuchang为温度漂移补偿量；
y′out为陀螺经过补偿后的输出值。
进一步地，步骤2和步骤4.1中，所述滑窗拟合斜率法具体为：先建立一个规定长度的FIFO，存储采集到的温度数据；然后对FIFO内存储的温度数据进行最小二乘法拟合，得到该温度数据的斜率即温度变化率。
进一步地，步骤3.1中，所述的温度漂移补偿数学模型为下列(2)式：
Figure BDA0002317960330000031
其中：ybuchang为陀螺温度漂移；
k0为拟合常值项；
Figure BDA0002317960330000032
为温度变化率，k1为温度变化率项系数；
T为温度，k2为温度项系数；
k3为温度与温度变化率乘积项系数。
进一步地，步骤1中，所述陀螺变温环境条件覆盖-40℃～+60℃的温度范围，具体为从+20℃降到-40℃，保温2小时；然后升温到+60℃，保温2小时；最后降到+20℃；变温过程中变温速率为1℃/min。
进一步地，步骤1中，所述温度传感器为DS18B20温度传感器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，该方法中采用滑窗拟合斜率法计算温度变化率：具体为先建立一个规定长度的FIFO，存储采集到的温度数据，然后对FIFO内存储的温度数据进行最小二乘法拟合，得到该温度数据的斜率即温度变化率；用该方法能实时计算温度变化率，计算量小，计算出的温度变化率噪声小，满足温度漂移实时补偿要求；因此，本发明方法解决了现有采用差分法对有噪声的温度数据进行差分得到的温度变化率噪声较大、采用跟踪微分器法得到的温度变化率延迟较大以及采用小波滤波法计算复杂，不易于实时计算的技术问题。
(2)本发明方法能实时计算温度变化率，计算量小，计算出的温度变化率噪声小，满足温度漂移实时补偿要求。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例的陀螺变温环境条件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：采集温度数据与陀螺温度漂移数据
在陀螺的光纤环上贴温度传感器，把陀螺放入温箱中，放置时陀螺敏感轴朝东放置；给陀螺通电，按照陀螺变温环境条件，进行温度试验，采集温度数据与陀螺温度漂移数据；在本实施例中，温度传感器为DS18B20温度传感器；陀螺变温环境条件覆盖-40℃～+60℃的温度范围，参见图2，具体为从+20℃降到-40℃，保温2小时；然后升温到+60℃，保温2小时；最后降到+20℃；变温过程中变温速率为1℃/min；
步骤2：求取温度变化率
编写基于滑窗拟合斜率法计算温度变化率的温度变化率计算程序；根据步骤1采集到的温度数据，利用温度变化率计算程序，求取温度变化率；
步骤3：建立温度漂移补偿数学模型，求取模型系数
步骤3.1：建立陀螺温度漂移关于温度、温度变化率以及温度与温度变化率乘积项的温度漂移补偿数学模型；本实施例中，上述温度漂移补偿数学模型为下列(2)式：
Figure BDA0002317960330000041
其中：ybuchang为陀螺温度漂移；
k0为拟合常值项；
Figure BDA0002317960330000042
为温度变化率，k1为温度变化率项系数；
T为温度，k2为温度项系数；
k3为温度与温度变化率乘积项系数；
步骤3.2：将步骤1采集到的温度数据和陀螺温度漂移数据，以及步骤2求取的温度变化率数据带入步骤3.1建立的上述温度漂移补偿数学模型中，利用多元线性回归方法求取模型系数；本实施例中，模型系数具体为k0、k1、k2、k3；
步骤4：编写陀螺数字闭环软件，通过该陀螺数字闭环软件对陀螺温度漂移实时补偿
步骤4.1：将滑窗拟合斜率法写入陀螺数字闭环软件中，实现根据采集到的温度数据，实时计算温度变化率的功能；
步骤4.2：将步骤3建立的温度漂移补偿数学模型以及求取的模型系数写入陀螺数字闭环软件中，根据采集到的温度数据，以及步骤4.1实时计算得到的温度变化率数据，实时计算温度漂移补偿量；
步骤4.3：将陀螺温度漂移补偿公式写入陀螺数字闭环软件中，根据陀螺的输出值以及步骤4.2实时计算得到的温度漂移补偿量，计算陀螺经过补偿后的输出值，对陀螺温度漂移实时补偿；上述陀螺温度漂移补偿公式如下式(1)所示：
y′out＝yout-ybuchang (1)；
其中，yout为陀螺的输出值；
ybuchang为温度漂移补偿量；
y′out为陀螺经过补偿后的输出值。
上述步骤2和步骤4.1中的滑窗拟合斜率法具体为：先建立一个规定长度的FIFO，存储采集到的温度数据；然后对FIFO内存储的温度数据进行最小二乘法拟合，得到该温度数据的斜率即温度变化率；在本实施例中，FIFO滑窗长度设置为64，采用MATLAB编写温度变化率计算程序。
采用本发明的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，能实时计算温度变化率，计算量小，计算出的温度变化率噪声小，满足温度漂移实时补偿要求。

Claims (5)

1.一种光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集温度数据与陀螺温度漂移数据
在陀螺的光纤环上贴温度传感器，把陀螺放入温箱中，放置时陀螺敏感轴朝东放置；给陀螺通电，按照陀螺变温环境条件，进行温度试验，采集温度数据与陀螺温度漂移数据；
步骤2：求取温度变化率
编写基于滑窗拟合斜率法计算温度变化率的温度变化率计算程序；根据步骤1采集到的温度数据，利用所述温度变化率计算程序，求取温度变化率；
步骤3：建立温度漂移补偿数学模型，求取模型系数
步骤3.1：建立陀螺温度漂移关于温度、温度变化率以及温度与温度变化率乘积项的温度漂移补偿数学模型；
步骤3.2：将步骤1采集到的温度数据和陀螺温度漂移数据，以及步骤2求取的温度变化率数据带入步骤3.1建立的所述温度漂移补偿数学模型中，利用多元线性回归方法求取模型系数；
步骤4：编写陀螺数字闭环软件，通过该陀螺数字闭环软件对陀螺温度漂移实时补偿
步骤4.1：将滑窗拟合斜率法写入陀螺数字闭环软件中，实现根据采集到的温度数据，实时计算温度变化率的功能；
步骤4.2：将步骤3建立的温度漂移补偿数学模型以及求取的模型系数写入陀螺数字闭环软件中，根据采集到的温度数据，以及步骤4.1实时计算得到的温度变化率数据，实时计算温度漂移补偿量；
步骤4.3：将陀螺温度漂移补偿公式写入陀螺数字闭环软件中，根据陀螺的输出值以及步骤4.2实时计算得到的温度漂移补偿量，计算陀螺经过补偿后的输出值，对陀螺温度漂移实时补偿；所述陀螺温度漂移补偿公式如下式(1)所示：
y′out＝yout-ybuchang (1)；
其中，yout为陀螺的输出值；
ybuchang为温度漂移补偿量；
y′out为陀螺经过补偿后的输出值。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特征在于：步骤2和步骤4.1中，所述滑窗拟合斜率法具体为：先建立一个规定长度的FIFO，存储采集到的温度数据；然后对FIFO内存储的温度数据进行最小二乘法拟合，得到该温度数据的斜率即温度变化率。
3.根据权利要求2所述的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特征在于：步骤3.1中，所述的温度漂移补偿数学模型为下列(2)式：
Figure FDA0002317960320000021
其中：ybuchang为陀螺温度漂移；
k0为拟合常值项；
Figure FDA0002317960320000022
为温度变化率，k1为温度变化率项系数；
T为温度，k2为温度项系数；
k3为温度与温度变化率乘积项系数。
4.根据权利要求1至3任一所述的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特征在于：步骤1中，所述陀螺变温环境条件覆盖-40℃～+60℃的温度范围，具体为从+20℃降到-40℃，保温2小时；然后升温到+60℃，保温2小时；最后降到+20℃；变温过程中变温速率为1℃/min。
5.根据权利要求4所述的光纤陀螺温度漂移实时补偿方法，其特征在于：步骤1中，所述温度传感器为DS18B20温度传感器。
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