CN111323047B - 一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，包括以下步骤：S1实时融合，每个算法周期执行一次，对俯仰角度进行补偿；S2长期融合，以实时融合为基础，每200个检测周期执行一次，对陀螺零位误差进行实时动态补偿。本发明提出了一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，通过实时融合和长期融合对陀螺零位误差进行动态补偿，与静态补偿相比，动态补偿省去了静态环境下陀螺角速率误差数据采集、离线分析和模型建立等过程，利用加速度计对陀螺零位误差进行动态补偿修正，保证了陀螺的实时高精度输出。

Description

一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，具体涉及一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法。

背景技术

受地球自转、地磁场、温度等环境因素的影响，光纤陀螺往往存在一定程度的零位误差。零位误差是影响光纤陀螺测量精度的主要因素，目前较为常用的零位误差补偿方法是预先采集静态环境下陀螺输出的角速率误差数据，离线分析并建立误差模型，采用自回归对数据进行拟合，得到模型各项系数。

光纤陀螺的零位漂移作为一个慢时变过程，对其建立精确模型十分困难，且过程复杂。使用静态环境下预存的陀螺角速率误差数据建立模型并求解达不到实时动态补偿的效果。

本发明提出一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，无需事先预存误差数据分析时间序列并建立模型，此方法简单高效，对陀螺输出进行实时动态补偿，提高测量精度。

发明内容

为解决对预先采集静态环境下陀螺输出的角速率误差数据进行离线分析并建立误差模型过程繁琐且精确模型很难建立的问题，本发明利用加速度计对陀螺零位误差进行动态补偿，保证了陀螺的实时高精度输出。

一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，包括以下步骤：

定义绕y轴运动方向为俯仰方向，融合之前根据采集的x、z方向加速度值求解俯仰角度：

θ_fy＝arctan(a_{acc_x}/a_{acc_z})*180/π (1)

其中θ_fy为俯仰角度，a_{acc_x}为x轴加速度值，a_{acc_z}为z轴加速度值。

S1.实时融合：

实时融合每个算法周期执行一次，对俯仰角度进行补偿，步骤如下：

S1.1对根据加速度计求解的俯仰角度进行一阶低通滤波：

θ_{fy_filter}＝θ_fy*0.1+θ_{fy_filter}*0.9 (2)

其中θ_{fy_filter}为滤波后俯仰角度，θ_fy为上一时刻俯仰角度；

S1.2对陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}的积分和加速度计求解的俯仰角度θ_{fy_filter}作差，得到差值Δ₁：

S1.3对差值Δ₁进行衰减，并作限幅处理，得到衰减值δ₁；

S1.4将衰减值δ₁补偿到俯仰角度中：

θ_{fy_filter}＝θ_{fy_filter}+δ₁ (4)

S2.长期融合：

长期融合以实时融合为基础，每200个检测周期执行一次，对陀螺零位误差进行实时动态补偿，步骤如下：

S2.1将陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}积分的积分和补偿后的加速度计俯仰角度θ_{fy_filter}作差，得到差值Δ₂：

S2.2对差值Δ₂进行衰减，得到估计的陀螺俯仰角速率漂移w_{gyro_drift}；

S2.3对考虑陀螺漂移和不考虑陀螺漂移计算得到的俯仰角度作差，得到差值Δ₃：

如果差值Δ₃大于设定阈值θ_threshold，说明陀螺在前段时间内测得的角速率值不够准确，需要对零位误差进行修正，则执行S2.4；否则，不需要对零位误差进行修正；

S2.4对差值Δ₃进行衰减，完成陀螺零位误差的动态补偿：

gyro_{zero_err}＝gyro_{zero_err}+p_decay*Δ₃ (7)

其中p_decay为衰减系数。

本发明提出了一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，通过实时融合和长期融合对陀螺零位误差进行动态补偿，与静态补偿相比，动态补偿省去了静态环境下陀螺角速率误差数据采集、离线分析和模型建立等过程，利用加速度计对陀螺零位误差进行动态补偿修正，保证了陀螺的实时高精度输出。

附图说明

图1为本发明流程图，

图2为本发明零位误差动态补偿结果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

传统的陀螺零位误差补偿方法需事先预存误差数据分析时间序列并建立模型，且为静态补偿。如图(1)所示，本发明利用加速度计对陀螺零位误差进行动态补偿，对根据加速度计求解的角度值与陀螺采集的角速率值进行实时融合和长期融合。

以俯仰方向为例，定义绕y轴运动方向为俯仰方向，融合之前根据采集的x、z方向加速度值求解俯仰角度：

θ_fy＝arctan(a_{acc_x}/a_{acc_z})*180/π (1)

其中θ_fy为俯仰角度，a_{acc_x}为x轴加速度值，a_{acc_z}为z轴加速度值。

实时融合：

实时融合每个算法周期执行一次，对俯仰角度进行补偿，步骤如下：

(1)对根据加速度计求解的俯仰角度进行一阶低通滤波：

θ_{fy_filter}＝θ_fy*0.1+θ_{fy_filter}*0.9 (2)

其中θ_{fy_filter}为滤波后俯仰角度，θ_fy为上一时刻俯仰角度；

(2)对陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}的积分和加速度计求解的俯仰角度θ_{fy_filter}作差，得到差值Δ₁：

(3)对差值Δ₁进行衰减，并作限幅处理，得到衰减值δ₁；

(4)将衰减值δ₁补偿到俯仰角度中：

θ_{fy_filter}＝θ_{fy_filter}+δ₁ (4)

长期融合：

长期融合以实时融合为基础，每200个检测周期执行一次，对陀螺零位误差进行实时动态补偿，步骤如下：

(1)将陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}积分的积分和补偿后的加速度计俯仰角度θ_{fy_filter}作差，得到差值Δ₂：

(2)对差值Δ₂进行衰减，得到估计的陀螺俯仰角速率漂移w_{gyro_drift}；

(3)对考虑陀螺漂移和不考虑陀螺漂移计算得到的俯仰角度作差，得到差值Δ₃：

如果差值Δ₃大于设定阈值θ_threshold，说明陀螺在前段时间内测得的角速率值不够准确，需要对零位误差进行修正。

(4)对差值Δ₃进行衰减，完成陀螺零位误差的动态补偿：

gyro_{zero_err}＝gyro_{zero_err}+p_decay*Δ₃ (7)

其中p_decay为衰减系数。

补偿过程中，对加速度计角度进行低通滤波是为了剔除野值；对加速度计角度进行积分是为了进一步减小随机有害加速度分量对补偿结果的影响；对加速度计和陀螺数值的衰减是为了让加速度计角度值和陀螺角速率积分值在相同角度偏差的情况下能基本匹配。

图2为基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿结果。通过曲线可以看出补偿过程中陀螺零位未发生偏移，动态补偿效果良好。

Claims (1)

1.一种基于加速度计的陀螺零位误差动态补偿方法，其特征是包括以下步骤：

定义绕y轴运动方向为俯仰方向，融合之前根据采集的x、z方向加速度值求解俯仰角度：

θ_fy＝arctan(a_{acc_x}/a_{acc_z})*180/π (1)

其中θ_fy为俯仰角度，a_{acc_x}为x轴加速度值，a_{acc_z}为z轴加速度值；

S1.实时融合：

实时融合每个算法周期执行一次，对俯仰角度进行补偿，步骤如下：

S1.1对根据加速度计求解的俯仰角度进行一阶低通滤波：

θ_{fy_filter_1}＝θ_fy*0.1+θ_{fy_filter}*0.9 (2)

其中θ_{fy_filter}为上次滤波后俯仰角度，θ_{fy_filter_1}为本次滤波后俯仰角度；

S1.2对陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}的积分和加速度计求解的俯仰角度θ_{fy_filter_1}作差，得到差值Δ₁：

S1.3对差值Δ₁进行衰减，并作限幅处理，得到衰减值δ₁；

S1.4将衰减值δ₁补偿到俯仰角度中：

θ_{fy_filter_2}＝θ_{fy_filter_1}+δ₁ (4)

其中θ_{fy_filter_2}为补偿后俯仰角度；

S2.长期融合：

长期融合以实时融合为基础，每200个检测周期执行一次，对陀螺零位误差进行实时动态补偿，步骤如下：

S2.1将陀螺测得俯仰角速率w_{gyro_fy}积分的积分和补偿后的加速度计俯仰角度θ_{fy_filter_2}作差，得到差值Δ₂：

S2.2对差值Δ₂进行衰减，得到估计的陀螺俯仰角速率漂移w_{gyro_drift}；

S2.3对考虑陀螺漂移和不考虑陀螺漂移计算得到的俯仰角度作差，得到差值Δ₃：

如果差值Δ₃大于设定阈值θ_threshold，说明陀螺在前段时间内测得的角速率值不够准确，需要对零位误差进行修正，则执行S2.4；否则，不需要对零位误差进行修正；

S2.4对差值Δ₃进行衰减，完成陀螺零位误差的动态补偿：

gyro_{zero_err_1}＝gyro_{zero_err}+p_decay*Δ₃ (7)

其中p_decay为衰减系数，gyro_{zero_err}为补偿前陀螺零位误差，gyro_{zero_err_1}为补偿后陀螺零位误差。

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