CN115468552B - 一种光纤陀螺数据采集方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺数据采集方法及系统，通过采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据，利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；其中，所述PYSERIAL库支持RS422通信协议，对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。本发明中光纤陀螺数据获取方法针对数据获取成本问题，使用简单的硬件连接方式，并使用Python语言程序对获取数据进行分析解算，具有硬件成本低廉、连接便捷、程序简洁、误码率低等优点。
Description
技术领域
本申请涉及光纤陀螺数据采集技术领域，特别是涉及一种光纤陀螺数据采集方法及系统。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态角速度测量传感器，它是光纤捷联惯导系统的核心器件。随着光纤技术的发展和成本的下降，光纤陀螺的精度已经能够满足大部分应用的要求，其成本也得到了控制，因此在航空、航天、航海和陆地等军民用领域有着广阔的应用前景。
PYSERIAL库是Python语言集成串行端口通信相关的程序模块。该模块封装了对串行端口的访问，提供了在Windows,OSX,LINUX,BSD和Iron-Python上运行的Python后端应用支持，并且可以自动选择适当的后端匹配工程环境。
光纤陀螺属于高精度测量器件，其通信协议一般配置为RS422通信协议，规定采用四线，全双工，差分传输的通信方式；另一方面，光纤惯性器件一般波特率为460800，数据刷新率默认为400Hz。在该信号输出特性下，一般光纤陀螺采集采用专用采集板或直接导航系统采集以降低通信过程中的误码率，采集板卡需要进行单独开发，这给导航系统开发测试带来诸多成本和不便。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种光纤陀螺数据采集方法及系统，能够解决一般光纤陀螺采集采用专用采集板或直接导航系统采集以降低通信过程中的误码率，采集板卡需要进行单独开发，给导航系统开发测试带来诸多成本和不便的问题。
第一方面，一种光纤陀螺数据采集方法，所述方法包括：
采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据；
利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；其中，所述PYSERIAL库支持RS422通信协议；
对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
上述方案中，可选的，所述光纤陀螺仪的输出端与矩形连接器的输入端连接，所述矩形连接器的输出端与所述USB连接器的一端连接。
上述方案中，进一步可选的，所述矩形连接器采用DC直流电源供电。
上述方案中，进一步可选的，所述数据传输参数包括波特率及数据传输格式参数。
上述方案中，进一步可选的，所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率数据和所述光纤陀螺仪的实际温度数据，包括：
根据所述数据帧的格式，对所述数据帧的帧头、角速率数据和温度数据进行区分解算，得到角速率数据和温度数据；
对所述角速率数据和所述温度数据分别拼合修正、并补码取反，得到角速率数字量和温度数字量，其中，所述角速率数字量和温度数字量为十进制的数字量；
根据所述光纤陀螺仪的标度因数对所述角速率数字量和温度数字量分别进行解算，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
上述方案中，进一步可选的，所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号之后，还包括：
将所述实际角速率信号和所述实际温度信号存储；
通过信号输出是否有毛刺点判断所述实际角速率数据是否发生跳变；
通过阿伦方差计算所述光纤陀螺仪的实际零偏稳定性；
对比所述实际零偏稳定性与标准零偏稳定性，验证所述实际角速率信号的准确性。
第二方面，一种光纤陀螺数据采集系统，所述系统包括：
矩形连接器，用于获取光纤陀螺仪的数据，其中，所述矩形连接器与光纤陀螺仪的输出端连接；
DC直流电源，用于给所述矩形连接器供电；
USB连接器，用于获取所述矩形连接器输出的所述光纤陀螺仪的数据，并将所述光纤陀螺仪的数据发送给终端设备，其中，所述USB连接器的一端与所述矩形连接器的输出端连接，所述USB连接器的另一端与所述终端设备连接；
终端数据获取模块，用于设置所述光纤陀螺仪的数据传输参数，以输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；
终端数据处理模块，用于对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
所述矩形连接器的第一引脚和第二引脚均与所述DC直流电源的+5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第三引脚和第四引脚均与所述DC直流电源的-5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第五引脚和第六引脚均与所述DC直流电源的接地端连接；
所述矩形连接器的第七引脚和第八引脚均与所述USB连接器的一端连接。
第三方面，一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据；
利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；
对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据；
利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；
对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有光纤陀螺属于高精度测量器件，其通信协议一般配置为RS422通信协议，规定采用四线，全双工，差分传输的通信方式，另一方面，光纤惯性器件一般波特率为460800，数据刷新率默认为400Hz。在该信号输出特性下，一般光纤陀螺采集采用专用采集板或直接导航系统采集以降低通信过程中的误码率，采集板卡需要进行单独开发，这给导航系统开发测试带来诸多成本和不便。随着计算机系统及编程语言应用集成技术趋向成熟，更多数据采集技术可通过计算机程序配合简单硬件连接集成实现。随着计算机系统及编程语言应用集成技术趋向成熟，更多数据采集技术可通过计算机程序配合简单硬件连接集成实现。本发明提供了一种连接计算机、结合PYSERIAL库的光纤陀螺数据获取方法。光纤陀螺信号输出采用J30-15TJ连接器，需转接矩形连接器由引线连接至各节点。其中输出信号节点经USB转RS422连接至计算机，电源输入采用DC直流电源进行供电。软件程序方面，光纤陀螺数据数据帧结合PYSERIAL程序获取数据，拼合解算得到工程应用所需陀螺数据。本发明中光纤陀螺数据获取方法针对数据获取成本问题，使用简单的硬件连接方式，并使用Python语言程序对获取数据进行分析解算，具有硬件成本低廉、连接便捷、程序简洁、误码率低等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的光纤陀螺数据采集方法的硬件连接示意图；
图2为本发明一个实施例提供的光纤陀螺数据采集方法的流程示意图；
图3为本发明一个实施例中光纤陀螺数据拼合解算流程示例图；
图4为本发明一个实施例中光纤陀螺数据可视化结果验证示例图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的光纤陀螺数据采集方法，在一个实施例中，如图2所示，提包括以下步骤：
采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据；
利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；其中，所述PYSERIAL库支持RS422通信协议。所述数据传输参数包括波特率及数据传输格式参数。
对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
其中，所述光纤陀螺仪的输出端与矩形连接器的输入端连接，所述矩形连接器的输出端与所述USB连接器的一端连接，所述矩形连接器采用DC直流电源供电。
在一个实施例中，如图3所示，所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率数据和所述光纤陀螺仪的实际温度数据，包括：根据所述数据帧的格式，对所述数据帧的帧头、角速率数据和温度数据进行区分解算，得到角速率数据和温度数据；
对所述角速率数据和所述温度数据分别拼合修正、并补码取反，得到角速率数字量和温度数字量，其中，所述角速率数字量和温度数字量为十进制的数字量；
根据所述光纤陀螺仪的标度因数对所述角速率数字量和温度数字量分别进行解算，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
本实施例提供了一种连接计算机、结合PYSERIAL库的光纤陀螺数据获取方法。光纤陀螺信号输出采用J30-15TJ连接器，需转接矩形连接器由引线连接至各节点。其中输出信号节点经USB转RS422连接至计算机，电源输入采用DC直流电源进行供电。软件程序方面，光纤陀螺数据数据帧结合PYSERIAL程序获取数据，拼合解算得到工程应用所需陀螺数据。本发明中光纤陀螺数据获取方法针对数据获取成本问题，使用简单的硬件连接方式，并使用Python语言程序对获取数据进行分析解算，具有硬件成本低廉、连接便捷、程序简洁、误码率低等优点。提供了开发成本低、连接便捷、可靠性高的光纤陀螺数据获取方式。光纤陀螺采用RS422通讯协议，大多数计算机程序应用难以实现对其数据的直接获取，PYSERIAL库恰好兼容了该协议并支持输出稳定可靠、数据刷新率高的光纤陀螺原始数据。
在一个实施例中，如图4所示，对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号之后，还包括：
将所述实际角速率信号和所述实际温度信号存储；
通过信号输出是否有毛刺点判断所述实际角速率数据是否发生跳变。其中，通过判断所述实际角速率数据是否发生跳变来确定得到的信号是否可靠。
通过阿伦方差计算所述光纤陀螺仪的实际零偏稳定性；
对比所述实际零偏稳定性与标准零偏稳定性，验证所述实际角速率信号的准确性。
具体的，将转存角速率数据进行逐帧(400Hz)可视化，观察陀螺数据是否产生跳变；进行阿伦方差计算，如图3下，将计算结果与厂家标注零偏稳定性(0.01°/h)进行比对，验证数据可靠性和正确性。
根据阿伦方差计算结果统计特性，图3下中十字标注为计算结果，虚线上下限为该计算结果的统计学置信空间。
本实施例提供结合阿伦方差的数据计算可靠性验证方案，即对比器件标注零偏稳定性精度与采集数据零偏稳定性精度进行比对，验证所获取数据的可靠性。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种光纤陀螺数据采集系统，包括以下程序模块：
矩形连接器，用于获取光纤陀螺仪的数据，其中，所述矩形连接器与光纤陀螺仪的输出端连接；
DC直流电源，用于给所述矩形连接器供电；
USB连接器，用于获取所述矩形连接器输出的所述光纤陀螺仪的数据，并将所述光纤陀螺仪的数据发送给终端设备，其中，所述USB连接器的一端与所述矩形连接器的输出端连接，所述USB连接器的另一端与所述终端设备连接；
终端数据获取模块，用于设置所述光纤陀螺仪的数据传输参数，以输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；
终端数据处理模块，用于对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号。
所述矩形连接器的第一引脚和第二引脚均与所述DC直流电源的+5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第三引脚和第四引脚均与所述DC直流电源的-5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第五引脚和第六引脚均与所述DC直流电源的接地端连接；
所述矩形连接器的第七引脚和第八引脚均与所述USB连接器的一端连接。
关于光纤陀螺数据采集系统的具体限定可以参见上文中对于光纤陀螺数据采集方法的限定，在此不再赘述。上述光纤陀螺数据采集系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入系统。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种光纤陀螺数据采集方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入系统可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，涉及上述实施例方法中的全部或部分流程。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，涉及上述实施例方法中的全部或部分流程。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种光纤陀螺数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
采集USB连接器输出的光纤陀螺仪的数据；
利用PYSERIAL库对所述光纤陀螺仪的数据传输参数进行设置，输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；其中，所述PYSERIAL库支持RS422通信协议；
对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号;
所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率数据和所述光纤陀螺仪的实际温度数据，包括：
根据所述数据帧的格式，对所述数据帧的帧头、角速率数据和温度数据进行区分解算，得到角速率数据和温度数据；
对所述角速率数据和所述温度数据分别拼合修正、并补码取反，得到角速率数字量和温度数字量，其中，所述角速率数字量和温度数字量为十进制的数字量；
根据所述光纤陀螺仪的标度因数对所述角速率数字量和温度数字量分别进行解算，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号;
所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号之后，还包括：
将所述实际角速率信号和所述实际温度信号存储；
通过信号输出是否有毛刺点判断所述实际角速率数据是否发生跳变；
通过阿伦方差计算所述光纤陀螺仪的实际零偏稳定性；
对比所述实际零偏稳定性与标准零偏稳定性，验证所述实际角速率信号的准确性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤陀螺仪的输出端与矩形连接器的输入端连接，所述矩形连接器的输出端与所述USB连接器的一端连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述矩形连接器采用DC直流电源供电。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据传输参数包括波特率及数据传输格式参数。
5.一种光纤陀螺数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：
矩形连接器，用于获取光纤陀螺仪的数据，其中，所述矩形连接器与光纤陀螺仪的输出端连接；
DC直流电源，用于给所述矩形连接器供电；
USB连接器，用于获取所述矩形连接器输出的所述光纤陀螺仪的数据，并将所述光纤陀螺仪的数据发送给终端设备，其中，所述USB连接器的一端与所述矩形连接器的输出端连接，所述USB连接器的另一端与所述终端设备连接；
终端数据获取模块，用于设置所述光纤陀螺仪的数据传输参数，以输出与所述光纤陀螺仪的数据对应的数据帧，其中，所述数据帧包括帧头、所述光纤陀螺仪的角速率数据和所述光纤陀螺仪的温度数据；
终端数据处理模块，用于对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号;
所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率数据和所述光纤陀螺仪的实际温度数据，包括：
根据所述数据帧的格式，对所述数据帧的帧头、角速率数据和温度数据进行区分解算，得到角速率数据和温度数据；
对所述角速率数据和所述温度数据分别拼合修正、并补码取反，得到角速率数字量和温度数字量，其中，所述角速率数字量和温度数字量为十进制的数字量；
根据所述光纤陀螺仪的标度因数对所述角速率数字量和温度数字量分别进行解算，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号;
所述对所述数据帧进行处理，得到所述光纤陀螺仪的实际角速率信号和所述光纤陀螺仪的实际温度信号之后，还包括：
将所述实际角速率信号和所述实际温度信号存储；
通过信号输出是否有毛刺点判断所述实际角速率数据是否发生跳变；
通过阿伦方差计算所述光纤陀螺仪的实际零偏稳定性；
对比所述实际零偏稳定性与标准零偏稳定性，验证所述实际角速率信号的准确性。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述矩形连接器的第一引脚和第二引脚均与所述DC直流电源的+5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第三引脚和第四引脚均与所述DC直流电源的-5V电源输出端连接；
所述矩形连接器的第五引脚和第六引脚均与所述DC直流电源的接地端连接；
所述矩形连接器的第七引脚和第八引脚均与所述USB连接器的一端连接。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
Priority Applications (1)
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