CN115790665A - 一种陀螺误差补偿方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例的技术方案公开了一种陀螺误差补偿方法、装置、电子设备及存储介质。该方法包括：获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；采集陀螺的输出信号；根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。本发明实施例的技术方案实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识，并通过误差补偿实现了对阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的消除，减少了阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量对陀螺精度的影响，提高了陀螺的精度。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种陀螺误差补偿方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
半球谐振陀螺仪是一种极具竞争优势的新型惯性元件，具有结构简单、精度高、随机误差小、适用范围广、体积小、重量功耗相对较低和启动时间短等特点。半球谐振陀螺仪利用谐振子旋转产生的哥式效应（Coriolis effect）引起振型的进动来实现外界载体角速度或角度测量，陀螺输出信号为驻波进动角度或者角增量变化。
陀螺输出信号漂移特性主要包括谐振子的结构对称性误差引起的周期性漂移误差和电路控制系统及前级放大线路引起的随机漂移误差，漂移误差是制约陀螺性能进一步提升的重要因素，尤其是周期性漂移误差。因此，如何确定周期性漂移误差并进行误差补偿，亟待解决。
发明内容
本发明提供了一种陀螺误差补偿方法、装置、电子设备及存储介质，实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识和消除，提高了陀螺的精度。
根据本发明的一方面，提供了一种陀螺误差补偿方法，其特征在于，包括：
获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
根据本发明的另一方面，提供了一种陀螺误差补偿装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
误差分量计算模块，用于采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
误差系统估计模块，用于根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
误差补偿模块，用于根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，计算机程序被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的陀螺误差补偿方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例的陀螺误差补偿方法。
本发明实施例的技术方案通过获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量；根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿；实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识，并通过误差补偿实现了对阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的消除，减少了阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量对陀螺精度的影响，提高了陀螺的精度。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
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是根据本发明实施例一提供的一种陀螺误差补偿方法的流程图；
图2是根据本发明实施例二提供的一种陀螺误差补偿方法的流程图；
图3是根据本发明实施例三提供的一种陀螺误差补偿方法的流程图；
图4是实现本发明实施例的陀螺误差补偿方法的场景图；
图5是根据本发明实施例四提供的一种陀螺误差补偿装置的结构示意图；
图6是实现本发明实施例的陀螺误差补偿方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“目标”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包含”、“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本公开的技术方案中，所涉及的数据的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。
实施例一
图1为本发明实施例一提供了一种陀螺误差补偿方法的流程图，本实施例可适用于对陀螺的漂移误差进行补偿情况，该方法可以由陀螺误差补偿装置来执行，该陀螺误差补偿装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该陀螺误差补偿装置可配置于电子设备中。如图1所示，该方法包括：
S110、获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
其中，刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数可以是对陀螺进行预先标定得到的参数，即刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数为陀螺加工制造后已知的参数。刚性轴方位角可以是陀螺的实际检测轴与各刚性轴之间的方位角。实际检测轴可以是实际检测过程中的设定的轴，例如，x轴和y轴。刚性轴可以是谐振子由于频率裂解而产生的两个固有的轴系。陀螺的加工几何误差和材料的各向异性可以导致谐振子产生频率裂解。
阻尼方位角可以是陀螺的实际检测轴与各阻尼轴之间的方位角。谐振子在赤道面上周向阻尼分布不均匀，导致能量损耗偏差，进而导致谐振子的赤道面上产生两个固有的阻尼轴系，即阻尼轴。示例性的，谐振子的能量损耗的影响因素可以包括：粘滞阻尼、锚固阻尼、材料阻尼、表面阻尼、模态耦合阻尼以及其他机械阻尼等。陀螺的加工误差会影响谐振子的残余表面应力，导致陀螺产生能量耗散。示例性的，陀螺的加工误差可以包括：陀螺表面的磨损裂纹等。
具体的，可以获取陀螺在加工制造后已知的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
S120、采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
其中，陀螺的输出信号可以为陀螺的实际输出信号。可选的，陀螺的输出信号可以用陀螺驻波的进动角速率表示。陀螺的输出信号可以包括：陀螺的理想输出信号、阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。陀螺的理想输出信号即为不存在误差的情况下陀螺的输出信号。阻尼不均匀误差分量可以是谐振子由于表面阻尼不均匀性产生的误差分量。刚性轴误差分量可以是谐振子由于频率裂解而产生的误差分量。阻尼不均匀性误差分量和刚性轴误差分量均为周期性漂移误差。周期性漂移误差可以是陀螺的制作材料、结构设计及加工工艺等引起的误差。
具体的，可以采集包含陀螺的理想输出信号、阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的陀螺的输出信号。示例性的，可以采集陀螺的输出信号的多个点。
S130、根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
其中，阻尼不均匀系数可以是谐振子阻尼不均匀性关联的系数。阻尼不均匀系数为阻尼不均匀误差分量中的重要系数。刚性轴各向异性系数可以是谐振子频率裂解关联的系数。刚性轴各向异性系数为刚性轴误差分量中的重要系数。
具体的，可以将刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号作为输入参量，基于扩展的最小二乘法对阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数进行求解，得到多个阻尼不均匀系数的值和多个刚性轴各向异性系数的值，然后分别对多个阻尼不均匀系数的值和多个刚性轴各向异性系数的值进行实时辨识检测，得到阻尼不均匀系数的估计值和刚性轴各向异性系数的估计值，即为阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
S140、根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
具体的，可以根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，利用傅里叶参数拟合模型，拟合得到阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。并在陀螺的输出信号的基础上消除阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，实现对输出信号的误差补偿。傅里叶参数拟合模型用于拟合生成阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。示例性的，傅里叶参数拟合模型可以为如下公式：
其中，Y为傅里叶参数拟合模型。A为振动幅值参数。B为平移参数。
为频率参数。t
为时间。
为相位角参数。通过对傅里叶参数拟合模型中的参数进行调节，可以拟合得到阻
尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
在本发明的一个可选的实施例中，所述陀螺包括全角模式半球谐振陀螺。
其中，半球谐振陀螺主要有两种工作模式：力平衡模式和全角模式。力平衡模式具有测量范围不大和带宽小的缺点，难以满足半球谐振陀螺大动态范围的应用需求，而全角模式具有直接输出角度和动态范围大等优点。因此，全角模式是半球谐振陀螺大动态范围应用下的理想工作模式。但是，全角模式对半球谐振子的对称性要求高，但受限于陀螺的加工精度，谐振子存在结构对称性误差，导致陀螺存在因阻尼不均匀性引起的阻尼不均匀误差分量和因频率裂解引起的刚性轴误差分量，影响了半球谐振陀螺在全角模式下的工作性能。
本方案通过对阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量进行误差补偿，减小了阻尼不均匀性误差分量和刚性轴误差分量对半球谐振陀螺的全角模式的影响，保证了半球谐振陀螺全角模式下的正常工作性能，提高了半球谐振陀螺全角模式的控制精度。
本发明实施例的技术方案通过获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量；根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿；实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识，并通过误差补偿实现了对阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的消除，减少了阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量对陀螺精度的影响，保证了陀螺的输出信号的平稳性、正态性和零均值性，提高了陀螺的精度。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种陀螺误差补偿方法的流程图，本实施例与上述实施例的基础上，将根据所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数进一步细化。如图2所示，该方法包括：
S210、获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
S220、采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
S230、将刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号输入如下公式，计算阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，包括：
其中，
为输出信号，K为布莱恩进动系数，
为外界输入角速率，
为阻尼
不均匀系数，
为驻波方位角，
为阻尼方位角参数，
为刚性轴各向异性系数，
为刚
性轴方位角参数。
陀螺的理想输出信号具体化为
，即陀螺的理想输出信号仅与外界输入角
速率有关。阻尼不均匀误差分量具体化为
，刚性轴误差分量具体化为
。
具体的，将陀螺的刚性轴方位角参数
、阻尼方位角参数
和输出信号
代入
上述公式中，可以得到多个阻尼不均匀系数的值和多个刚性轴各向异性系数的值，然后分
别对多个阻尼不均匀系数的值和多个刚性轴各向异性系数的值进行实时辨识检测，得到阻
尼不均匀系数的估计值和刚性轴各向异性系数的估计值，即为阻尼不均匀系数和刚性轴各
向异性系数。
S240、根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
在本发明的一个可选的实施例中，阻尼不均匀系数包括目标时间段的检测结果，刚性轴各向异性系数包括目标时间段的检测结果；根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿，包括：根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，获取目标时间段内的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并形成误差信号；将误差信号取反，并叠加到输出信号中，以实现对输出信号进行误差补偿。
其中，目标时间段可以是采集时间段中的某一段时间。采集时间段可以是对陀螺的输出信号进行采集的时间段。目标时间段的时长可以根据技术人员的经验进行设定和调整。例如，采集时间段可以为100s，目标时间段的时长可以为30s。可以截取目标时间段的输出信号作为单元输出信号。目标时间段内的检测结果可以是输出信号在目标时间段内的检测结果的拟合值。具体可以理解为：根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和单元输出信号在目标时间段内的多个时间点的值，得到多个时间点的阻尼不均匀系数的检测结果和刚性轴各向异性系数的检测结果。可以将目标时间段内多个时间点对应的阻尼不均匀系数的检测结果进行拟合，得到阻尼不均匀系数的检测结果的拟合值，作为阻尼不均匀系数在目标时间段内的检测结果。刚性轴各向异性系数在目标时间段内的检测结果的获取过程与阻尼不均匀系数在目标时间段内的检测结果相同。拟合值可以为目标时间段内的检测结果的拟合规律对应的数值。示例性的，拟合规律可以包括：拟合方程、拟合直线或拟合曲线等。其中，拟合方程为检测结果的规律性方程。拟合直线可以是检测结果随时间变化的规律性直线。拟合曲线可以是检测结果随时间变化的规律性曲线。在采集时间段中选取不同的目标时间段，截取的单元输出信号可能不同，检测得到的阻尼不均匀系数的检测结果和刚性轴各向异性系数的检测结果可能也会不同。
误差信号可以为目标时间段内的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量叠加形成的信号。示例性的，误差信号可以是阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量在目标时间段内各个时间点求和得到的信号。
具体的，可以根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，利用傅里叶参数拟合模型，拟合得到阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。并将阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量进行叠加，得到误差信号。再将误差信号取反，并将取反后的误差信号叠加到陀螺的输出信号中，即可以实现对陀螺的输出信号的误差补偿。
本方案引入了目标时间段，通过将阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数具体化为目标时间段内的检测结果，根据目标时间段的输出信号，得到目标时间段内的阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，提高了阻尼不均匀系数的检测结果和刚性轴各向异性系数的检测结果的准确性。通过阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，获取目标时间段内的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并形成误差信号，确定了各个目标时间段内输出信号中包含的误差信号，提高了误差信号的精确性。再将误差信号取反，并叠加到输出信号中，实现了对输出信号中误差信号的误差补偿，极大地减小了输出信号中的误差信号的影响，进一步提高了陀螺的精度。
本发明实施例的技术方案通过将刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号输入具体公式中，计算阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，利用输出信号的具体公式，计算确定了阻尼局均匀系数和刚性轴各向异性系数，实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识，并通过误差补偿对误差分量进行消除，减少了阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量对陀螺精度的影响。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的一种陀螺误差补偿方法的流程图，本实施例与上述实施例的基础上，在对输出信号进行误差补偿之后进一步增加了对误差补偿后的输出信号进行时间序列建模，得到输出时间序列；对输出时间序列中噪声分量进行建模，得到噪声序列；在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，以实现对误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿。如图3所示，该方法包括：
S310、获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
S320、采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
S330、根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
S340、根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
S350、根据误差补偿后的输出信号，得到输出时间序列。
其中，输出时间序列可以是对误差补偿后的输出信号按照各个时间点采集所得到的时间序列。对输出信号进行误差补偿，以确保误差补偿后的输出信号具有平稳性、正态性和零均值性，进而确保对应的输出时间序列具有平稳性、正态性和零均值性。
具体的，可以对误差补偿后的输出信号按照各个时间点进行采集，得到误差补偿后的输出信号对应的输出时间序列。
S360、对输出时间序列进行时间序列建模，得到时间序列模型，并将输出时间序列输入到时间序列模型，得到噪声序列。
其中，时间序列建模可以是根据输出时间序列建立时间序列模型的过程。示例性的，时间序列模型可以包括：自回归模型、滑动平均模型和自回归滑动平均模型等。噪声序列可以是包含采集的各个时间点的白噪声的时间序列。输出时间序列中包含噪声序列。噪声序列中的白噪声属于陀螺的随机漂移误差。随机漂移误差是由电路控制系统及前级放大线路引起的。
具体的，可以将输出时间序列输入至时间序列模型中，并对时间序列模型进行迭代更新，确定时间序列模型的参数，得到更新后的时间序列模型。并将输出时间序列输入至更新后的时间序列模型中，得到噪声序列。
S370、在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，以实现对误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿。
其中，目标时间序列可以是输出时间序列滤除噪声序列后得到的结果。目标时间序列可以通过对噪声序列进行滤波后得到。通过对输出时间序列中的噪声序列进行滤波，消除了目标时间序列中的随机漂移误差。
具体的，可以在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，消除噪声序列对输出时间序列的影响，得到目标时间序列，实现对误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿。
在本发明的一个可选的实施例中，将将所述输出时间序列输入到所述时间序列模型，得到噪声序列，具体化为：将输出时间序列输入至自回归滑动平均模型，迭代更新自回归滑动平均模型中滑动平均参数和自回归参数，得到滑动平均参数的估计值和自回归参数的估计值；根据滑动平均参数的估计值和自回归参数的估计值，更新自回归滑动平均模型，得到噪声序列。
其中，S3601、将输出时间序列输入至自回归滑动平均模型，迭代更新自回归滑动平均模型中滑动平均参数的阶数和自回归参数的阶数，得到滑动平均参数的阶数估计值和自回归参数的阶数估计值。
其中，自回归滑动平均模型是一种时间序列模型。自回归滑动平均模型可以分析出输出时间序列的噪声系列。滑动平均参数可以是自回归滑动平均模型中滑动平均相关的参数。自回归参数可以是自回归滑动平均模型中自回归相关的参数。滑动平均参数的阶数和自回归参数的阶数可以是预先设定并通过迭代更新进行调整。滑动平均参数的阶数估计值可以是迭代更新后得到的滑动平均参数的阶数。自回归参数的阶数估计值可以是迭代更新后得到的自回归参数的阶数。可选的，可以根据ACF（Auto-Correlation Function，自相关）准则、PACF（Partial Auto-Correlation Function，偏自相关）准则、BIC（BayesianInformation Criterion，贝叶斯信息化）准则或AIC（Akaike Information Criterion，最小信息化）准则等对滑动平均参数的阶数（或自回归参数的阶数）进行确定。
具体的，可以将输出时间序列输入至自回归滑动平均模型中，并对自回归滑动平均模型中滑动平均参数的阶数和自回归参数的阶数进行迭代更新，根据ACF（Auto-Correlation Function，自相关）准则、PACF（Partial Auto-Correlation Function，偏自相关）准则、BIC（Bayesian Information Criterion，贝叶斯信息化）准则或AIC（AkaikeInformation Criterion，最小信息化）准则等对滑动平均参数的阶数（或自回归参数的阶数）确定滑动平均参数的阶数估计值和自回归参数的阶数估计值。
S3602、根据滑动平均参数的阶数估计值和自回归参数的阶数估计值，更新自回归滑动平均模型，得到噪声序列。
具体的，可以根据滑动平均参数的阶数估计值和自回归参数的阶数估计值对自回归滑动平均模型进行更新，利用更新后的自回归滑动平均模型，确定输出时间序列中的噪声序列。
示例性的，自回归滑动平均模型可以为如下公式：
其中，
为输出时间序列，
为自回归参数，
为滑动平
均参数，
为噪声序列，p为自回归参数的阶数，q滑动平均参数的阶数。
将输出时间序列
代入至自回归滑动平均模型
中，迭代更新自回归
滑动平均模型中滑动平均参数的阶数q自回归参数的阶数p得到滑动平均参数的阶数估计
值和自回归参数的阶数估计值，将滑动平均参数的估计值和自回归参数的估计值，更新自
回归滑动平均模型
，得到输出时间序列
中的噪声序列
。
本方案通过利用自回归滑动平均模型，将输出时间序列中的噪声序列分离出来，辨识了陀螺的输出信号对应的噪声序列，为消除噪声序列（即陀螺的随机漂移误差）提供了基础。
在本发明的一个可选的实施例中，将输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列具体化为：获取时间序列模型对应的系统状态方程；基于卡尔曼滤波算法，根据系统状态方程，在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
其中，S3701、获取自回归滑动平均模型对应的系统状态方程。
具体的，可以根据自回归滑动平均模型的自回归参数的阶数，确定系统状态方程中的系统状态量，进而确定系统状态方程。
示例性的，可以根据自回归滑动平均模型
中的自回归参数的阶数p，定
系统状态量为
，则系统状态方程为：
其中，
为系统状态量。
为系统状态转移矩阵，
。G表示系
统噪声驱动矩阵。Wk表示系统噪声或系统的估测误差。
S3702、基于卡尔曼滤波算法，根据系统状态方程，在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
具体的，可以根据系统状态方程，建立系统量测方程，并根据卡尔曼滤波算法设计卡尔曼滤波器，确定卡尔曼滤波的递推公式，根据卡尔曼滤波的递推公式，对输出时间系列中的噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
示例性的，系统量测方程可以为：
其中，
为系统状态量。H为系统量测矩阵，
。
为量测噪声，
等于输
出时间序列中的噪声序列。
卡尔曼滤波的递推公式为：
其中，R为系统量测噪声序列矩阵。Q为系统噪声序列矩阵，其对角线为系统的估计
误差的方差。
为卡尔曼滤波器的输入的均值。
为卡尔曼滤波器的输入的协方差。
为协方差一步预测。
为系统状态转移矩阵一步预测。
为协方差。
为系统状态转移矩阵的转置矩阵一步预测。
为系统噪声驱动矩阵一步
预测。
为系统噪声序列矩阵。
为系统噪声驱动矩阵的转置矩阵一步预测。
为滤波增益估计。
为系统量测矩阵的转置矩阵估计。
为系统量测矩
阵估计。
为系统量测噪声序列矩阵估计。
为均值一步预测。
为均值。
为系统量测一步预测。
为系统量测矩阵一步预测。
为均值估计。
为系统量测估计。
为协方差估计。
根据卡尔曼滤波的递推公式，对输出时间系列中的噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
本方案利用卡尔曼滤波，实现了最小均方估计误差意义下的输出时间序列的最优线性滤波，实现了对陀螺的输出信号的二次误差补偿，降低了输出时间序列中的随机漂移误差，改善了陀螺的输出精度。
图4为实现本发明实施例的陀螺误差补偿方法的场景图。如图4所示，1为半球谐振
陀螺，2为控制及信号解算系统，3为数据预处理模块（即参数获取模块、误差分量计算模块
和误差系统估计模块）及傅里叶参数拟合建模模块（即误差补偿模块），4为卡尔曼滤波模块
（即误差再次补偿模块），5为随机漂移误差建模（即输出序列获取模块）及参数识别模块（即
噪声序列获取模块），6为外界载体输入。如图4所示，外界载体输入6是外界载体对陀螺的输
入信息，通过驻波进动效应敏感载体的运动信息。半球谐振陀螺1通过驱动信号和检测信号
的实施，获得陀螺仪的二阶谐振状态。控制及信号解算系统2用于对谐振子二阶振动的稳
幅、稳频、正交控制及振动信息进行解算，得到陀螺的输出信号
。数据预处理模块及傅里叶
参数拟合建模模块3通过数据预处理模块对陀螺仪的输出信号
进行采集，并通过傅里叶参
数拟合建模模块进行傅里叶参数拟合建模，进行阻尼不均匀性误差分量和刚性轴误差分量
的消除，得到误差补偿后的输出信号
，保证了陀螺误差补偿后的输出信号具有零均值性、
平稳性和正态特性。随机漂移误差建模及参数识别模块5对陀螺误差补偿后的输出信号进
行时间序列分析建模，得到输出时间序列
，并确定自相关滑动平均模型的自相关参数的
阶数和滑动平均参数的阶数。卡尔曼滤波模块4通过设计卡尔曼滤波器对输出时间序列
进行滤波处理，消除噪声序列，得到目标时间序列
，从而补偿了输出时间序列的随机漂移
误差。
本发明实施例的技术方案通过对误差补偿后的输出信号进行时间序列建模，得到输出时间序列；对输出时间序列中噪声分量进行建模，得到噪声序列；在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，以实现对误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿；通过对误差补偿后的输出信号进行时间序列建模和噪声分量建模，分别得到了输出时间序列和噪声序列，并在输出时间序列中对噪声序列进行滤波，实现了输出信号的二次误差补偿，抑制了陀螺的随机漂移误差，提高了陀螺的输出精度。
实施例四
图5为本发明实施例四提供的一种陀螺误差补偿装置的结构示意图。如图5所示，该装置包括：参数获取模块510、误差分量计算模块520、误差系统估计模块530和误差补偿模块540。
其中，参数获取模块510，用于获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数。
误差分量计算模块520，用于采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量。
误差系统估计模块530，用于根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数。
误差补偿模块540，用于根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿。
本发明实施例的技术方案通过获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；采集陀螺的输出信号，输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量；根据刚性轴方位角参数、阻尼方位角参数和输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；根据阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，计算阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量，并对输出信号进行误差补偿；实现了对陀螺的阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的辨识，并通过误差补偿实现了对阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量的消除，减少了阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量对陀螺精度的影响，保证了陀螺的输出信号的平稳性、正态性和零均值性，提高了陀螺的精度。
在本发明的一个可选的实施例中，误差系统估计模块530包括：
误差系统估计单元，用于将所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号输入如下公式，计算阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，包括：
其中，
为输出信号，K为布莱恩进动系数，
为外界输入角速率，
为阻尼
不均匀系数，
为驻波方位角，
为阻尼方位角参数，
为刚性轴各向异性系数，
为刚
性轴方位角参数。
在本发明的一个可选的实施例中，阻尼不均匀系数包括目标时间段的检测结果，刚性轴各向异性系数包括所述目标时间段的检测结果；误差补偿模块540包括：
误差信号形成单元，用于根据所述阻尼不均匀系数和所述刚性轴各向异性系数，获取所述目标时间段内的所述阻尼不均匀误差分量和所述刚性轴误差分量，并形成误差信号。
误差补偿单元，用于将所述误差信号取反，并叠加到所述输出信号中，以实现对所述输出信号进行误差补偿。
在本发明的一个可选的实施例中，在误差补偿模块540对所述输出信号进行误差补偿之后，该装置包括：
时间序列获取模块，用于根据误差补偿后的输出信号，得到输出时间序列。
噪声序列获取模块，用于对输出时间序列进行时间序列建模，得到时间序列模型，并将输出时间序列输入到时间序列模型，得到噪声序列。
误差再次补偿模块，用于在所述输出时间序列中对所述噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，以实现对所述误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿。
在本发明的一个可选的实施例中，噪声序列获取模块包括：
估计值确定单元，用于将所述输出时间序列输入至所述自回归滑动平均模型，迭代更新自回归滑动平均模型中滑动平均参数和自回归参数，得到所述滑动平均参数的估计值和所述自回归参数的估计值。
噪声序列确定单元，用于将所述滑动平均参数的估计值和所述自回归参数的估计值，更新所述自回归滑动平均模型，得到噪声序列。
在本发明的一个可选的实施例中，误差再次补偿模块包括：
状态方程获取单元，用于获取所述时间序列模型对应的系统状态方程。
目标序列确定单元，用于基于卡尔曼滤波算法，根据所述系统状态方程，在所述输出时间序列中对所述噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
在本发明的一个可选的实施例中，陀螺包括全角模式半球谐振陀螺。
本发明实施例所提供的陀螺误差补偿装置可执行本发明任意实施例所提供的陀螺误差补偿方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例五
图6示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备600的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
如图6所示，电子设备600包括至少一个处理器601，以及与至少一个处理器601通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）602、随机访问存储器（RAM）603等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器601可以根据存储在只读存储器（ROM）602中的计算机程序或者从存储单元608加载到随机访问存储器（RAM）603中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还可存储电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理器601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出（I/O）接口605也连接至总线604。
电子设备600中的多个部件连接至I/O接口605，包括：输入单元606，例如键盘、鼠标等；输出单元607，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元608，例如磁盘、光盘等；以及通信单元609，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元609允许电子设备600通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理器601可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器601的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器601执行上文所描述的各个方法和处理，例如陀螺误差补偿方法。
在一些实施例中，陀螺误差补偿方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元608。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 602和/或通信单元609而被载入和/或安装到电子设备600上。当计算机程序加载到RAM 603并由处理器601执行时，可以执行上文描述的陀螺误差补偿方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器601可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行陀螺误差补偿方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种陀螺误差补偿方法，其特征在于，包括：
获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；
采集所述陀螺的输出信号，所述输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量；
根据所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；
根据所述阻尼不均匀系数和所述刚性轴各向异性系数，计算所述阻尼不均匀误差分量和所述刚性轴误差分量，并对所述输出信号进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，包括：
将所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号输入如下公式，计算阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数，包括：
其中，
为输出信号，K为布莱恩进动系数，
为外界输入角速率，
为阻尼不均
匀系数，
为驻波方位角，
为阻尼方位角参数，
为刚性轴各向异性系数，
为刚性轴
方位角参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻尼不均匀系数包括目标时间段的检测结果，所述刚性轴各向异性系数包括所述目标时间段的检测结果；
所述根据所述阻尼不均匀系数和所述刚性轴各向异性系数，计算所述阻尼不均匀误差分量和所述刚性轴误差分量，并对所述输出信号进行误差补偿，包括：
根据所述阻尼不均匀系数和所述刚性轴各向异性系数，获取所述目标时间段内的所述阻尼不均匀误差分量和所述刚性轴误差分量，并形成误差信号；
将所述误差信号取反，并叠加到所述输出信号中，以实现对所述输出信号进行误差补偿。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述输出信号进行误差补偿之后，还包括：
根据误差补偿后的输出信号，得到输出时间序列；
对所述输出时间序列进行时间序列建模，得到时间序列模型，并将所述输出时间序列输入到所述时间序列模型，得到噪声序列；
在所述输出时间序列中对所述噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，以实现对所述误差补偿后的输出信号再次进行误差补偿。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述输出时间序列输入到所述时间序列模型，得到噪声序列，包括；
将所述输出时间序列输入至自回归滑动平均模型，迭代更新自回归滑动平均模型中滑动平均参数和自回归参数，得到所述滑动平均参数的估计值和所述自回归参数的估计值；
根据所述滑动平均参数的估计值和所述自回归参数的估计值，更新所述自回归滑动平均模型，得到噪声序列。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述输出时间序列中对所述噪声序列进行滤波，得到目标时间序列，包括：
获取所述时间序列模型对应的系统状态方程；
基于卡尔曼滤波算法，根据所述系统状态方程，在所述输出时间序列中对所述噪声序列进行滤波，得到目标时间序列。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陀螺包括全角模式半球谐振陀螺。
8.一种陀螺误差补偿装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取陀螺的刚性轴方位角参数和阻尼方位角参数；
误差分量计算模块，用于采集所述陀螺的输出信号，所述输出信号包括阻尼不均匀误差分量和刚性轴误差分量；
误差系统估计模块，用于根据所述刚性轴方位角参数、所述阻尼方位角参数和所述输出信号，检测阻尼不均匀系数和刚性轴各向异性系数；
误差补偿模块，用于根据所述阻尼不均匀系数和所述刚性轴各向异性系数，计算所述阻尼不均匀误差分量和所述刚性轴误差分量，并对所述输出信号进行误差补偿。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的陀螺误差补偿方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的陀螺误差补偿方法。
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| Publication number | Publication date |
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| CN115790665B (zh) | 2023-05-05 |
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