CN114061559B - 光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质，属于惯性定位定向技术领域。该光纤陀螺零偏漂移的补偿方法全面考虑了光纤陀螺在工作时所处环境的温度值以及温度变化率对光纤陀螺温度漂移的影响，并基于温度值以及温度变化率建立了对应的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型来对光纤陀螺的输出零偏进行预估，使工作人员能够更加准确的光纤陀螺的输出数据进行温度补偿，提高了对光纤陀螺零偏的补偿精确度。该补偿系统具有实现上述补偿方法的功能，该计算机存储介质能够存储计算机指令，该计算机指令被处理器执行时能够实现上述补偿方法。

Description

光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质

技术领域

本发明涉及惯性定位定向技术领域，特别涉及一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的角速率传感器，由于其成本低、工艺简单、可靠性高、抗冲击振动能力强，其应用前景备受重视，已经成为主流的传感器之一。然而构成光纤陀螺的主要器件如光纤环、光源等对温度较为敏感，导致光纤陀螺输出零偏受到温度的影响较大，陀螺输出零偏随温度变化发生较大漂移，降低了光纤陀螺测量精度。

在相关技术中，通常基于神经网络模型或者多项式模式来建立光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型，对光纤陀螺零偏漂移进行温度补偿以提高光纤陀螺的输出精度。

采用神经网络模型来建立光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型，虽然能保证其数据精度，但其算法复杂，不利于工程实现。而采用多项式模型结构简单，工程实现容易，但其非线性补偿能力弱，多数只考虑光纤陀螺当前温度的影响，导致补偿精确度较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质，能够提高对光纤陀螺零偏的补偿精确度。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法，包括：

将光纤陀螺置于温箱中进行温度试验，获取多组所述光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组所述温度实验数据构建输出数据集，所述温度实验数据包括温度值、在所述温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据；

基于所述温度值以及所述温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数；

获取所述光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，所述实时温度数据包括所述温度值和工作环境中的所述温度随时间的变化率；

将所述输出数据集输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将所述实时温度数据输入训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

可选地，所述温度实验包括全温实验和随机升降温试验。

可选地，所述将所述输出数据集输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将所述实时温度数据输入训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿，包括：

对所述输出数据集进行层次聚类，将多组所述温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的所述温度实验数据；

将每类中处于聚类中型的所述温度实验数据中的所述温度值确定为温度分段点，进而获取多个所述温度分段点；

按照所述温度值的大小以从低到高的顺序对所述温度分段点进行排列，并基于所述温度分段点将所述输出数据集分为多个温度段区间；

将位于所述多个温度段区间内的所述温度实验数据分别输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取所述多个温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型；

将所述实时温度数据输入所在的所述温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

第二方面，本发明提供了一种补偿系统，包括：

第一数据获取模块，用于获取多组光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组所述温度实验数据构建输出数据集，所述温度实验数据包括温度值、在所述温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据；

模型构建模块，用于基于所述温度值以及温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数；

第二数据获取模块，用于获取所述光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，所述实时温度数据包括所述温度值和工作环境中的所述温度随时间的变化率；

数据训练与补偿模块，将所述输出数据集输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将所述实时温度数据输入训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

可选地，所述数据训练与补偿模块还用于：

对所述输出数据集进行层次聚类，将多组所述温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的所述温度实验数据；

将每类中处于聚类中型的所述温度实验数据中的所述温度值确定为温度分段点，进而获取多个所述温度分段点；

按照所述温度值的大小以从低到高的顺序对所述温度分段点进行排列，并基于所述温度分段点将所述输出数据集分为多个温度段区间；

将位于所述多个温度段区间内的所述温度实验数据分别输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取所述多个温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型；

将所述实时温度数据输入所在的所述温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

第三方面，本发明还提供了一种补偿系统，所述补偿系统包括：

处理器；

用于存储处理器可执行的指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行前述第一方面所述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法。

第四方面，本发明还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现前述第一方面所述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

采用本发明实施例所提供的光纤陀螺零偏漂移补偿方法，相比采用多项式模式构建的温度补偿模型仅考虑光纤陀螺当前所处温度的影响，本方案全面考虑了光纤陀螺在工作时所处环境的温度值以及温度变化率对光纤陀螺温度漂移的影响，并基于温度值以及温度变化率建立了对应的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型来对光纤陀螺的输出零偏进行预估，使工作人员能够更加准确的光纤陀螺的输出数据进行温度补偿，提高了对光纤陀螺零偏的补偿精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种步骤S14的流程图；

图3是本发明实施例提供的一种补偿系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种补偿系统的控制结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法的流程图。如图1所示，通过实践，本发明人提供了一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法、系统和计算机存储介质，该光纤陀螺零偏漂移的补偿方法包括：

S11，将光纤陀螺置于温箱中进行温度试验，获取多组光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组温度实验数据构建输出数据集，温度实验数据包括温度值、在温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据。

S12，基于温度值以及温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数。

S13，获取光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，实时温度数据包括温度值和工作环境中的温度随时间的变化率。

S14，将输出数据集输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将实时温度数据输入训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

本发明实施例提供的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法，首先将光纤陀螺置于温箱中进行温度试验，通过对温箱内的温度进行调控，获取多组光纤陀螺的在不同温度值以及温度变化下的温度实验数据，并利用多组温度实验数据构建输出数据集。其中温度实验数据包括温度值、在温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据。之后基于温度值以及温箱中的温度随时间的变化率构建光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏。b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，能够通过光纤陀螺零偏输出均值直接计算得到。△T/△t为温度随时间的变化率，能够通过输出数据集中的多组温度实验数据直接计算得到。α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数。之后将输出数据集中的多组温度实验数据输入到光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型中，对光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，以得到温度系数α₁和α₂，以及温度变化率系数β₁和β₂，完成对光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型参数的确定。最后，在光纤陀螺实际工作和使用时，通过获取工作环境的实时温度数据，并输入到训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型中，获取实时温度数据中温度值下对应的光纤陀螺零偏输出值，并基于该输出值对光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

采用本发明实施例所提供的光纤陀螺零偏漂移补偿方法，相比采用多项式模式构建的温度补偿模型仅考虑光纤陀螺当前所处温度的影响，本方案全面考虑了光纤陀螺在工作时所处环境的温度值以及温度变化率对光纤陀螺温度漂移的影响，并基于温度值以及温度变化率建立了对应的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型来对光纤陀螺的输出零偏进行预估，使工作人员能够更加准确的光纤陀螺的输出数据进行温度补偿，提高了对光纤陀螺零偏的补偿精确度。

可选地，温度实验包括全温实验和随机升降温试验。示例性地，在本发明实施例中，在获取光纤陀螺的温度实验数据时，采用两种不同的温度实验。其中全温实验时在光纤陀螺的工作温度范围内，预设几个不同的温度值，包括最低温度、最高温度以及位于最低温度和最高温度中的中间温度进行恒温实验，每个温度保持半个小时；而随机升降温实验则是在光纤陀螺的工作温度范围内，预设不同的第一温度和第二温度，以及预设不同的温度随时间的变化率，进行温度变化调控实验。采用两种不同类型的温度实验共获取光纤陀螺在不同温度环境下的多种温度实验数据，使所构建的输出数据集中的数据代表性更加全面。在后续输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型后，进一步提高训练完成后的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型的补偿精确度。

图2是本发明实施例提供的一种步骤S14的流程图。如图2所示，该步骤S14可以具体包括以下步骤：

S141，对输出数据集进行层次聚类，将多组温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的温度实验数据。

S142，将每类中处于聚类中型的温度实验数据中的温度值确定为温度分段点，进而获取多个温度分段点。

S143，按照温度值的大小以从低到高的顺序对温度分段点进行排列，并基于温度分段点将输出数据集分为多个温度段区间。

示例性地，由于陀螺角速率数据的温度特性，其零偏在不同温度下是不同的。例如在25至30℃的温度区间，其零偏相对较小；而在50至60℃的温度区间，其零偏相对较大。故直接将多组温度实验数据构建的输出数据集输入到光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型中，可能存在因温度实验数据中温度值区间跨度过大影响训练效果，导致后续实时温度数据输入后，所输出的光纤陀螺的输出零偏值与实际偏差较大，影响补偿精确度。

在本发明实施例中，在对光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练前，可以首先采用如前述S141至S143步骤的方式对输出数据集进行层次聚类，利用层次聚类法将零偏数值相近的若干组温度实验数据进行聚类并与其他类相独立，再通过确定温度分段点，利用温度分段点将输出数据集中的多组温度实验数据按照预设的温度段区间进行划分，每个温度段区间中的若干组温度实验数据均可以视为从属于该温度段区间的一个子输出数据集。

S144，将位于多个温度段区间内的温度实验数据分别输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取多个温度段区间对应的训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型。

示例性地，在本发明实施例中，通过将多个前述步骤中得到的子输出数据集分别输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，基于陀螺角速率数据的温度特性，即零偏的大小趋势，可以得到多个具有不同温度系数以及温度变化率系数的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型。有效反映数据的聚类特性，从而建立对应多个不同温度段区间的最优的补偿模型。

S145，将实时温度数据输入所在的温度段区间对应的训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

示例性地，在本发明实施例中，在获取实时温度数据后，通过确定实时温度数据中的温度值所在的温度段区间，将该实时温度数据输入所在的温度段区间对应的训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型中，进而获取相对最优的输出值，使工作人员能够更加准确的光纤陀螺的输出数据进行温度补偿，提高了对光纤陀螺零偏的补偿精确度。并且，对光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行温度分段线性拟合，也进一步提高了模型的非线性补偿能力。

图3是本发明实施例提供的一种补偿系统的结构示意图。如图3所示，该补偿系统具有实现上述光纤陀螺零偏漂移的补偿方法的功能。该补偿系统包括第一数据获取模块1、模型构建模块2、第二数据获取模块3和数据训练与补偿模块4。其中，第一数据获取模块1获取多组光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组温度实验数据构建输出数据集，温度实验数据包括温度值、在温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据。模型构建模块2用于基于温度值以及温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数。第二数据获取模块3用于获取光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，实时温度数据包括温度值和工作环境中的温度随时间的变化率。数据训练与补偿模块4将输出数据集输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将实时温度数据输入训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

可选地，数据训练与补偿模块4还用于，

对输出数据集进行层次聚类，将多组温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的温度实验数据；

将每类中处于聚类中型的温度实验数据中的温度值确定为温度分段点，进而获取多个温度分段点；

按照温度值的大小以从低到高的顺序对温度分段点进行排列，并基于温度分段点将输出数据集分为多个温度段区间；

将位于多个温度段区间内的温度实验数据分别输入光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取多个温度段区间对应的训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型；

将实时温度数据输入所在的温度段区间对应的训练好的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

图4是本发明实施例提供的另一种补偿系统的控制结构示意图。如图4所示，该补偿系统还包括处理器以及用于存储处理器可执行的指令的存储器。该补偿系统4100可以为计算机设备，该补偿系统4100可以包括以下一个或多个组件：处理器4101、存储器4102、通信接口4103和总线4104。

处理器4101包括一个或者一个以上处理核心，处理器4101通过运行软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及信息处理。存储器4102和通信接口4103通过总线4104与处理器4101相连。存储器4102可用于存储至少一个指令，处理器4101用于执行该至少一个指令，以实现上述方法实施例中的各个步骤。

此外，存储器4102可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，易失性或非易失性存储设备包括但不限于：磁盘或光盘，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，静态随时存取存储器(SRAM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，可编程只读存储器(PROM)。

示例性地，在本发明实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算机存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由处理器执行前述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法。例如，非临时性计算机存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺零偏漂移的补偿方法，其特征在于，包括：

将光纤陀螺置于温箱中进行温度试验，获取多组所述光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组所述温度实验数据构建输出数据集，所述温度实验数据包括温度值、在所述温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据；

基于所述温度值以及所述温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数；

获取所述光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，所述实时温度数据包括所述温度值和工作环境中的所述温度随时间的变化率；

对所述输出数据集进行层次聚类，将多组所述温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的所述温度实验数据；

将每类中处于聚类中心的所述温度实验数据中的所述温度值确定为温度分段点，进而获取多个所述温度分段点；

按照所述温度值的大小以从低到高的顺序对所述温度分段点进行排列，并基于所述温度分段点将所述输出数据集分为多个温度段区间；

将位于所述多个温度段区间内的所述温度实验数据分别输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取所述多个温度段区间对应的具有不同温度系数以及温度变化率系数的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型；

将所述实时温度数据输入所在的所述温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法，其特征在于，所述温度实验包括全温实验和随机升降温试验。

3.一种补偿系统，其特征在于，所述补偿系统包括：

第一数据获取模块，用于获取多组光纤陀螺的温度实验数据，并利用多组所述温度实验数据构建输出数据集，所述温度实验数据包括温度值、在所述温度值下的陀螺角速率数据以及对应的时间点数据；

模型构建模块，用于基于所述温度值以及温箱中的温度随时间的变化率构建以下光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型：

其中，

表示在温度值T下的模型估算的光纤陀螺零偏，b₀表示室温25℃下保温两小时的光纤陀螺零偏输出均值，△T/△t为温度随时间的变化率，α₁、α₂为温度系数，β₁、β₂为温度变化率系数；

第二数据获取模块，用于获取所述光纤陀螺实际工作时的实时温度数据，所述实时温度数据包括所述温度值和工作环境中的所述温度随时间的变化率；

数据训练与补偿模块，将所述输出数据集输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，将所述实时温度数据输入训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

4.根据权利要求3所述的补偿系统，其特征在于，所述数据训练与补偿模块还用于：

对所述输出数据集进行层次聚类，将多组所述温度实验数据分为多类，并获取每类中处于聚类中心的所述温度实验数据；

将每类中处于聚类中型的所述温度实验数据中的所述温度值确定为温度分段点，进而获取多个所述温度分段点；

按照所述温度值的大小以从低到高的顺序对所述温度分段点进行排列，并基于所述温度分段点将所述输出数据集分为多个温度段区间；

将位于所述多个温度段区间内的所述温度实验数据分别输入所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型进行训练，获取所述多个温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型；

将所述实时温度数据输入所在的所述温度段区间对应的训练好的所述光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，并基于输出值对所述光纤陀螺的零偏漂移进行补偿。

5.一种补偿系统，其特征在于，所述补偿系统包括：

处理器；

用于存储处理器可执行的指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行权利要求1至2任一项所述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法。

6.一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至2任一项所述的光纤陀螺零偏漂移的补偿方法。

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