CN117007039A - 一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及惯性设备技术领域，公开了一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统，包括：基于谐振频率和陀螺外侧温度构建温度‑频率模型；通过逆向拟合方法对温度‑频率模型求解得到陀螺温度；基于陀螺温度值、温度变化率以及两者的交叉项构建陀螺温度补偿模型；基于陀螺温度补偿模型构建适应度函数，将陀螺输出信息代入适应度函数中计算适应度值；通过粒子群优化算法对适应度值进行迭代得到最优适应度值，最优适应度值对应的最优解便为陀螺温度补偿模型系数，代入陀螺温度补偿模型补偿目标惯导系统因温度引起的漂移；本发明解决了现有的单一半球谐振陀螺温度输出方法不适用于惯导系统，以及温度补偿模型缺乏理论依据等问题。
Description
技术领域
本发明涉及惯性设备技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统。
背景技术
通常，抑制半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyros,HRG)温度漂移的方法有两种：温度稳定法和温度补偿法。温度稳定法是增加外部温控系统使陀螺工作在恒温环境，减小陀螺温度漂移。其缺点为增加系统体积和重量，并且由于谐振子处于真空环境，热传递仅依赖热辐射和支撑杆的热传递，稳定时间较长，通常应用于航天卫星领域。温度补偿法是以及HRG随温度变化的输出特性，建立温度变化的数学模型，通过软件方法补偿温度变化引起的温度漂移，具有不增加系统硬件结构，便能够提高陀螺使用精度的优点。
利用谐振子可以作为一个高精度温度传感器的特点，对单陀螺开展多个温度点下的温度-频率标定试验，以温箱温度为基准，利用最小二乘拟合方法获取温度-频率函数系数。利用逐步线性回归的方法，建立以谐振子谐振频率为自变量、陀螺零偏为因变量的温度补偿模型，提高了半球谐振陀螺在大温度范围内的使用精度。以温箱温度为基准建立温度-频率函数的方法仅适用于单一陀螺，未必适用于HRG惯导系统；利用逐步线性回归方法建立温度补偿模型的方法，仅通过多次试验确定模型阶次，缺乏理论依据。针对上述问题，提出一种以测温电路温度为基准的陀螺温度输出方法，根据陀螺温度特点建立温度补偿模型，引入粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)求解模型系数，在此基础上进行温度补偿。
发明内容
本发明提供了一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统，以解决现有的温度输出方法不适用于惯导系统，以及温度补偿模型缺乏理论依据等问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，包括：
获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，并基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型；
通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值；
获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，基于所述陀螺温度值、所述温度变化率以及两者的交叉项构建陀螺温度补偿模型；
基于所述陀螺温度补偿模型构建粒子群优化算法的适应度函数，并将所述陀螺输出信息代入所述适应度函数中计算适应度值；
通过粒子群优化算法对适应度值进行最优值迭代得到最优适应度值，并基于所述最优适应度值得到陀螺温度补偿模型系数；
将所述陀螺温度补偿模型系数带入所述陀螺温度补偿模型中进行求解，补偿目标惯导系统因温度引起的漂移。
可选的，所述获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，包括：
在目标惯导系统的半球谐振陀螺金属壳体外侧粘贴测温电路，通过所述测温电路获取陀螺外侧温度；
基于所述陀螺外侧温度，获取当前陀螺外侧温度下的半球谐振陀螺的谐振频率和陀螺输出信息。
可选的，所述基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型，包括：
利用最小二乘拟合方法得到谐振频率和陀螺外侧温度的拟合系数，并基于所述拟合系数构建温度-频率模型，其中，所述温度-频率模型如下式所示：
fs_GX2＝(-5.780E-06)*T3+(-3.059E-04)*T2+(4.848E-01)*T+4.898E+03
式中，各参数分别表示各温度项的拟合系数。
可选的，所述通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值，包括：
将所述谐振频率代入所述温度-频率模型中，将所述温度-频率模型转变为一元三次方程；
通过逆向拟合方法对该一元三次方程进行逆向解算得到逆向解算温度，并将所述逆向解算温度作为陀螺温度值。
可选的，所述获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，包括：
基于所述陀螺输出信息确定陀螺零偏与谐振子振幅、阻尼不均匀、耗散角以及频率的关系，其关系式如下所示：
式中，b0为陀螺零偏，A0为谐振子的振幅，为阻尼不均匀，θτ为耗散角，ω0为频率；
在耗散角θτ小于角度阈值时，上式可表示为：
由于，阻尼不均匀耗散角θτ、频率ω0均随温度变化，而振幅A0不随温度变化，并且频率ω0变化量在计算过程中忽略不计，则温度变化率和温度变化系数可表示为：
θτ(ΔT)＝(θτ)(1+γ2ΔT)；
式中，γ1和γ2为温度变化系数，ΔT为温度变化率。
可选的，陀螺温度补偿模型表示为：
B＝k0+k1T+k2T2+k3ΔT/Δt+k4(ΔT/Δt)2+k0TΔT/Δt；
式中，k0为与温度无关的陀螺零偏值，T为陀螺温度，ΔT/Δt为温度变化率，B为陀螺零偏，k1～k5为温度系数，k0-k5统称为模型系数。
可选的，所述粒子群优化算法，包括：
基于标准粒子群优化算法进行仿真实验确定算法参数，其中，所述算法参数中粒子群规模N＝200，粒子维数D＝6，粒子位置范围为[-1,1]，粒子速度范围为[-1,1]，学习因子c1＝c2＝1.5，惯性权重w＝0。
可选的，所述适应度函数表示为：
式中，fitness为适应度值，bg(i)为实际陀螺零偏值，B(i)为温度补偿模型值，n为数据总长度。
可选的，最优值迭代的计算公式如下所示：
Xk(t+1)＝Xk(t)+Vk(t+1)；
式中，w为惯性权重，c1和c2为学习因子，r1和r2为随机函数rand生成的0-1之间的随机数，Pk(t)为第t次迭代的局部最优值，为全局最优值，Xk(t)为第t次迭代的当前粒子位置值；
第t次迭代第k个粒子的位置表达式为第t次迭代第k个粒子的“飞行”速度表达式为/>第t次迭代第k个粒子当前搜索到的最优位置/>为第t次迭代粒子群中当前搜索到的最优位置值。
第二方面，本申请实施例提供一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿系统，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面中任一所述的方法步骤。
有益效果：
本发明提供的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，以测温电路温度为基准，提出一种基于谐振频率的半球谐振陀螺惯导系统温度输出方法，替代了传统的陀螺测温硬件电路，为惯导系统轻小型设计提供新思路；同时引入逆向拟合思想，解决上位机实时解算一元三次方程对采集电脑性能要求高的问题，提高解算效率和陀螺温度输出实时性；建立半球谐振陀螺温度补偿模型，模型具有非线性的特点，引入PSO算法求解温度补偿模型系数，对半球谐振陀螺输出进行补偿，提高陀螺在大温度范围内的输出精度。
附图说明
图1为本发明优选实施例的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法的流程图之一；
图2为本发明优选实施例的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法的流程图之二；
图3为本发明优选实施例中以温箱温度为基准，解算温度与温箱温度差值曲线；
图4为本发明优选实施例中以测温电路温度为基准，解算温度与测温电路温度差值曲线；
图5为本发明优选实施例中在-100～100℃温度范围内，温度-频率函数fs_G曲线；
图6为本发明优选实施例中Gx陀螺频率-温度曲线；
图7为本发明优选实施例中降温阶段Gz陀螺输出曲线；
图8为本发明优选实施例中升温阶段Gz陀螺输出曲线。
具体实施方式
下面对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中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。“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，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1
请参见图1-2，本申请实施例提供一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，包括：
获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，并基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型；
通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值；
获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，基于所述陀螺温度值、所述温度变化率以及两者的交叉项构建陀螺温度补偿模型；
基于所述陀螺温度补偿模型构建粒子群优化算法的适应度函数，并将所述陀螺输出信息代入所述适应度函数中计算适应度值；
通过粒子群优化算法对适应度值进行最优值迭代得到最优适应度值，并基于所述最优适应度值得到陀螺温度补偿模型系数；
将所述陀螺温度补偿模型系数带入所述陀螺温度补偿模型中进行求解，补偿目标惯导系统因温度引起的漂移。
在上述实施例中，以测温电路温度为基准，提出一种基于谐振频率的半球谐振陀螺惯导系统温度输出方法，替代了传统的陀螺测温硬件电路，为惯导系统轻小型设计提供新思路；同时引入逆向拟合思想，解决上位机实时解算一元三次方程对采集电脑性能要求高的问题，提高解算效率和陀螺温度输出实时性；建立半球谐振陀螺温度补偿模型，模型具有非线性的特点，引入PSO算法求解温度补偿模型系数，对半球谐振陀螺输出进行补偿，提高陀螺在大温度范围内的输出精度。
可选的，所述获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，包括：
在目标惯导系统的半球谐振陀螺金属壳体外侧粘贴测温电路，通过所述测温电路获取陀螺外侧温度；
基于所述陀螺外侧温度，获取当前陀螺外侧温度下的半球谐振陀螺的谐振频率和陀螺输出信息。
可选的，所述基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型，包括：
利用最小二乘拟合方法得到谐振频率和陀螺外侧温度的拟合系数，并基于所述拟合系数构建温度-频率模型，其中，所述温度-频率模型如下式所示：
fs_GX2＝(-5.780E-06)*T3+(-3.059E-04)*T2+(4.848E-01)*T+4.898E+03
式中，各参数分别表示各温度项的拟合系数。
可选的，所述通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值，包括：
将所述谐振频率代入所述温度-频率模型中，将所述温度-频率模型转变为一元三次方程；
通过逆向拟合方法对该一元三次方程进行逆向解算得到逆向解算温度，并将所述逆向解算温度作为陀螺温度值。
可选的，所述获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，包括：
基于所述陀螺输出信息确定陀螺零偏与谐振子振幅、阻尼不均匀、耗散角以及频率的关系，其关系式如下所示：
式中，b0为陀螺零偏，A0为谐振子的振幅，为阻尼不均匀，θτ为耗散角，ω0为频率；
在耗散角θτ小于角度阈值时，上式可表示为：
由于，阻尼不均匀耗散角θτ、频率ω0均随温度变化，而振幅A0不随温度变化，并且频率ω0变化量在计算过程中忽略不计，则温度变化率和温度变化系数可表示为：
θτ(ΔT)＝(θτ)(1+γ2ΔT)；
式中，γ1和θ2为温度变化系数，ΔT为温度变化率。
可选的，陀螺温度补偿模型表示为：
B＝k0+k1T+k2T2+k3ΔT/Δt+k4(ΔT/Δt)2+k0TΔT/Δt；
式中，k0为与温度无关的陀螺零偏值，T为陀螺温度，ΔT/Δt为温度变化率，B为陀螺零偏，k1～k5为温度系数，k0-k5统称为模型系数。
可选的，所述粒子群优化算法，包括：
基于标准粒子群优化算法进行仿真实验确定算法参数，其中，所述算法参数中粒子群规模N＝200，粒子维数D＝6，粒子位置范围为[-1,1]，粒子速度范围为[-1,1]，学习因子c1＝c2＝1.5，惯性权重w＝0。
可选的，所述适应度函数表示为：
式中，fitness为适应度值，bg(i)为实际陀螺零偏值，B(i)为温度补偿模型值，n为数据总长度。
可选的，最优值迭代的计算公式如下所示：
Xk(t+1)＝Xk(t)+Vk(t+1)；
式中，w为惯性权重，c1和c2为学习因子，r1和r2为随机函数rand生成的0-1之间的随机数，Pk(t)为第t次迭代的局部最优值，为全局最优值，Xk(t)为第t次迭代的当前粒子位置值；
第t次迭代第k个粒子的位置表达式为第t次迭代第k个粒子的“飞行”速度表达式为/>第t次迭代第k个粒子当前搜索到的最优位置/>为第t次迭代粒子群中当前搜索到的最优位置值。
在上述实施例中，迭代求取最优适应度值的目的是为了求最小值，最小值对应的解k0-k5，便为陀螺温度补偿模型的系数。
实施例2
请参见图3-8，首先，根据HRG惯导系统输出谐振频率，研究基于谐振频率的半球谐振陀螺温度输出方法，由两部分组成：以测温电路温度为基准的温度-频率函数和基于逆向拟合思想的温度输出方法，实时输出HRG温度；以温度变化、温度变化率及两者交叉项为自变量，以陀螺输出零偏为因变量，建立半球谐振陀螺温度补偿模型；在HRG温度和HRG陀螺输出基础上，利用PSO算法求解拟合系数，得到温度补偿模型。
(1)以测温电路温度为基准的HRG温度-频率函数
为了获取谐振频率值和陀螺外侧测温电路温度值，开展半球谐振陀螺温度试验。温箱温度范围为-40℃～+50℃，每10℃一个温度点，依次递推。在每个温度点下，温箱保温5小时后再开展下一个温度点的温度试验。在温度试验中除了获取温箱温度外，还在半球谐振陀螺金属壳体外侧粘贴测温电路(温度传感器为DS18B20，测温精度为0.0625℃)，测量陀螺外侧温度。统计各温箱温度点(简称温度1)下的三只陀螺第5小时的谐振频率值和测温电路温度值(简称温度2)，频率值和测温电路温度值都为百秒平滑结果，如表1所示。
表1各陀螺谐振频率和温度2
王旭在《半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究》一文中，对单陀螺开展多个温度点下的温度-频率标定试验，以温箱温度为基准，利用最小二乘拟合方法获取温度-频率函数的系数。对于半球谐振陀螺惯导系统，以温度1为基准求解HRG温度-频率函数。以Gx陀螺为例，利用最小二乘法获得拟合系数，得到温度-频率函数fs_GX1为：
fs_GX1＝(-5.780E-06)*T3+(-3.059E-04)*T2+(4.848E-01)*T+4.898E+03
通常，利用MATLAB软件的roots函数由各个谐振频率值解算温度值(简称温度3)，将温度3与温度1作差并画图，如图3所示。由Gx陀螺频率解算的温度值与温箱温度相差最大值为0.7℃附近，此时温箱温度为0℃；还有多个点温度差值超过0.1℃，与《半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究》中的以温箱温度为基准时，温度精度优于0.1℃的结论不一致。因此，以温箱温度为基准求解温度-频率模型函数的方法，不适用于半球谐振陀螺惯导系统。
以测温电路温度为基准的温度-频率函数为：
fs_GX2＝(-5.751E-07)*T3+(-2.568E-04)*T2+(4.794E-01)*T+4.896E+03
由各个谐振频率值解算得到温度3，将温度3与温度2作差并画图，如图4所示。由图4可知，在各个谐振频率值下，以fs_GX2函数解算的温度值与测温电路温度的差值未超过0.1℃，满足《半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究》中的温度精度判断方法。上述分析说明，测温电路更加靠近陀螺，所测温度更接近陀螺真实温度。因此，在半球谐振陀螺惯导系统中，需要以测温电路为基准求解温度-频率函数。
(2)基于逆向拟合的HRG温度输出方法
为了实时获取陀螺温度，将陀螺输出谐振频率值代入fs_GX2函数，将函数转变为一元三次方程，利用MATLAB软件的roots函数实时解方程求解温度。由于上位机需要实时调用MATLAB软件求解方程，增加了采集计算机运算负担，影响陀螺温度输出实时性，在工程应用中难以大范围推广。在fs_GX2函数基础上，将温度范围扩展至-100～100℃，绘制温度-频率函数曲线，如图5所示。由图5中曲线可知，温度与频率值之间具有一一对应关系，但不是严格意义上的线性关系(二阶系数和三阶系数非零)。
针对上位机实时解算一元三次方程对采集电脑性能要求高的问题，利用温度与频率值之间一一对应的特点，引入逆向拟合思想，即求解频率-温度函数，由频率值实时计算温度值，减小上位机计算量，提高解算效率和陀螺温度输出实时性。HRG频率-温度函数通式为：T＝A1*fs3+B1*fs2+C1*fs+D1。
以Gx陀螺为例，利用最小二乘法求解频率-温度系数为：A1＝1.792E-05,B1＝-2.608E-01,C1＝1.267E+03,D1＝-2.056E+06。绘制Gx陀螺频率-温度曲线，如图6所示。将求解温度-频率函数的过程记为正向解算，将求解频率-温度函数的过程记为逆向解算。统计正向解算温度(温度3)、逆向解算温度(简称温度4)以及与温度2间的差值，如表2所示。
表2三种温度对比
由表2中结果可知，温度4与温度2的差值都未超过0.1℃，满足《半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究》中的温度精度判断方法。上述分析结果表明，逆向解算方法具有可行性，解决了正向解算时上位机算法负担大的问题，能够支撑半球谐振陀螺实时输出温度值。同时，基于谐振频率的半球谐振陀螺温度输出方法替代了传统的陀螺测温硬件电路，为惯导系统轻小型设计提供新思路。
(3)HRG温度补偿模型
在半球谐振陀螺工作过程中，谐振子振动会产生热量以及受陀螺外界温度的影响，导致陀螺的热场具有不确定性或者出现非均匀性温度传导。在建立半球谐振陀螺温度模型时，除了考虑温度变化外，还需要考虑温度变化率。
刘付成在《半球谐振陀螺惯性敏感器及其空间应用》一书中指出，在力平衡模式下，陀螺零偏b0由谐振子的振幅A0、阻尼不均匀耗散角θτ、频率ω0等参数决定，即：
若θτ较小时，将上式改写为：
式中，阻尼不均匀耗散角θτ、频率ω0均随温度变化，振幅A0由电路控制，不随温度变化，并且频率ω0变化量通常较小，忽略不计。有：
θτ(ΔT)＝(θτ)(1+γ2ΔT)
式中，γ1和γ2为温度系数，ΔT为温度变化率。因此，陀螺零偏b0为温度变化率的二次函数。
考虑温度变化、温度变化率及两者交叉项，温度变化率最高次数为2，以及温度变化最高次数也为2，设计半球谐振陀螺温度补偿模型为：
B＝k0+k1T+k2T2+k3ΔT/Δt+k4(ΔT/Δt)2+k5TΔT/Δt
式中，k0为与温度无关的陀螺零偏值，T为温度值，ΔT/Δt为温度变化率，B为陀螺零偏，k1～k5为温度系数。
(4)基于PSO算法的温度补偿方法
熔融石英材料对温度较为敏感，谐振子工作时处于振动状态，半球谐振陀螺输出具有较强的非线性，以及温度补偿模型也具有非线性，使得温度补偿模型的求解变得更加复杂，引入PSO算法求解温度补偿模型系数。在PSO算法基础上，基于PSO算法的温度补偿算法步骤为：
1)参数设置和粒子群初始化
在标准PSO算法基础上，开展大量仿真试验确定算法参数。选择粒子群规模为N＝200，粒子维数D＝6，为温补模型待辨识系数个数；粒子位置范围为[-1,1]，粒子速度范围为[-1,1]；最大迭代次数为200，迭代次数影响算法运行时间和模型系数的精度；学习因子c1＝c2＝1.5，惯性权重w＝0.8，表明算法具有更快的收敛速度。粒子群初始化含义为根据设置的参数值，生成一组均匀分布在寻优空间中的随机值。
2)计算初始化个体最优值
计算个体最优值前，需要先确定适应度函数。在半球谐振陀螺温度补偿模型基础上，温度补偿模型的适应度函数为：
式中，fitness为适应度值，bg(i)为实际陀螺零偏值，B(i)为温度补偿模型值，n为数据总长度，陀螺零偏值为陀螺输出除标度因数。根据初始化粒子确定粒子群中最优个体值为算法迭代开始前的最优个体。
3)更新位置和速度值
在算法迭代过程中，根据粒子最优值，更新粒子的速度和位置，计算公式为：
Xk+1＝Xk+Vk+1
式中，w为惯性权重，c1和c2为学习因子，r1和r2为随机函数rand，生成0到1之间的随机数，Pk为局部最优值，为全局最优值，Xk为当前粒子位置值，k＝1,2,3...,N。
4)更新个体最优值
根据粒子群中的位置更新值，计算粒子适应度值。与前一次迭代的最优个体比较，若优于最优个体/>则该粒子作为下一次迭代的参考个体，并将最优个体更新为当前个体。
(5)HRG温度补偿试验
以某国产力平衡式半球谐振陀螺惯导系统为例，利用带温箱转台开展温度试验，三轴方向按北上东放置，惯导系统和温箱保持静止，使得半球谐振陀螺仅受地球自转激励，采用本专利方法实时采集半球谐振陀螺温度。常温环境下，该惯导系统通电5h后，测得单陀螺精度为0.3°/h(1σ)。
温度试验条件如下：从室温开始降温，降温时温箱选择设置温度点降温模式，待温箱达到-40℃后保温5h，保存陀螺输出数据；达到保温时间后，以1℃/min开始升温，待三只陀螺温度都达到50℃后，结束温度试验。温度试验包含升温和降温阶段，在两个阶段中温度变化速率不同，将温度试验划分为两个阶段分析。以Gz陀螺为例，求得降温阶段和升温阶段的温度补偿模型系数，如表3所示。
表3温度补偿模型系数
为了验证本文算法有效性，将本文算法与最小二乘法对比，绘制两个阶段的原始陀螺输出、PSO算法补偿后陀螺输出和最小二乘法补偿后陀螺输出的零偏曲线如图7-图8所示。为了便于对比原始陀螺输出与补偿后陀螺输出，将原始陀螺输出减去均值再画图。
由图7和图8中曲线可知，在温度大范围变化后，陀螺输出变化较大，利用本文算法补偿后陀螺输出变化减小很多。在惯导系统稳定后，经本文算法补偿后，陀螺输出被拉平，维持在0附近。计算原始陀螺输出、PSO算法补偿后和最小二乘法补偿后的陀螺零偏稳定性，如表4所示，单位为°/h(3σ)。
表4零偏稳定性对比
由表4中统计结果可知，相比于温度补偿前，降温阶段零偏稳定性从7.071°/h提升至3.812°/h，优化46％；升温阶段零偏稳定性从9.512°/h提升至5.096°/h，优化46％。本文算法与最小二乘法补偿后结果相比较，零偏稳定性值差别不大，进一步验证了本文算法的有效性。本文选用的半球谐振陀螺属于中低精度陀螺，有待下一阶段在更高精度半球谐振陀螺上验证。上述分析结果表明，本文算法具有有效性，可以有效改善大温度范围内陀螺输出随温度漂移的现象。
本申请实施例还提供一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿系统，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法中任一所述的方法步骤。
上述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿系统，可以实现上述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，包括：
获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，并基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型；
通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值；
获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，基于所述陀螺温度值、所述温度变化率以及两者的交叉项构建陀螺温度补偿模型；
基于所述陀螺温度补偿模型构建粒子群优化算法的适应度函数，并将所述陀螺输出信息代入所述适应度函数中计算适应度值；
通过粒子群优化算法对适应度值进行最优值迭代得到最优适应度值，并基于所述最优适应度值得到陀螺温度补偿模型系数；
将所述陀螺温度补偿模型系数带入所述陀螺温度补偿模型中进行求解，补偿目标惯导系统因温度引起的漂移。
2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述获取目标惯导系统的谐振频率、陀螺输出信息以及陀螺外侧温度，包括：
在目标惯导系统的半球谐振陀螺金属壳体外侧粘贴测温电路，通过所述测温电路获取陀螺外侧温度；
基于所述陀螺外侧温度，获取当前陀螺外侧温度下的半球谐振陀螺的谐振频率和陀螺输出信息。
3.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述基于所述谐振频率和所述陀螺外侧温度构建温度-频率模型，包括：
利用最小二乘拟合方法得到谐振频率和陀螺外侧温度的拟合系数，并基于所述拟合系数构建温度-频率模型，其中，所述温度-频率模型如下式所示：
fs_GX2＝(-5.780E-06)*T3+(-3.05gE-04)*T2+(4.848E-O1)，T+4.898E+03
式中，各参数分别表示各温度项的拟合系数。
4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述通过逆向拟合方法对所述温度-频率模型求解得到陀螺温度值，包括：
将所述谐振频率代入所述温度-频率模型中，将所述温度-频率模型转变为一元三次方程；
通过逆向拟合方法对该一元三次方程进行逆向解算得到逆向解算温度，并将所述逆向解算温度作为陀螺温度值。
5.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述获取目标惯导系统中陀螺的温度变化率，包括：
基于所述陀螺输出信息确定陀螺零偏与谐振子振幅、阻尼不均匀、耗散角以及频率的关系，其关系式如下所示：
式中，b0为陀螺零偏，A0为谐振子的振幅，为阻尼不均匀，θτ为耗散角，ω0为频率；
在耗散角θτ小于角度阈值时，上式可表示为：
由于，阻尼不均匀耗散角θτ、频率ω0均随温度变化，而振幅A0不随温度变化，并且频率ω0变化量在计算过程中忽略不计，则温度变化率和温度变化系数可表示为：
θτ(ΔT)＝(θτ)(1+γ2ΔT)；
式中，γ1和γ2为温度变化系数，ΔT为温度变化率。
6.根据权利要求5所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，陀螺温度补偿模型表示为：
B＝ko+k1T+k2T2+k3ΔT/Δt+k4(ΔT/Δt)2+koTΔT/Δt；
式中，k0为与温度无关的陀螺零偏值，T为陀螺温度，ΔT/Δt为温度变化率，B为陀螺零偏，k1～k5为温度系数，k0-k5统称为模型系数。
7.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述粒子群优化算法，包括：
基于标准粒子群优化算法进行仿真实验确定算法参数，其中，所述算法参数中粒子群规模N＝200，粒子维数D＝6，粒子位置范围为[-1,1]，粒子速度范围为[-1,1]，学习因子c1＝c2＝1.5，惯性权重w＝0。
8.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，所述适应度函数表示为：
式中，fitness为适应度值，bg(i)为实际陀螺零偏值，B(i)为温度补偿模型值，n为数据总长度。
9.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法，其特征在于，最优值迭代的计算公式如下所示：
Xk(t+1)＝Xk(t)+Vk(t+1)；
式中，w为惯性权重，c1和c2为学习因子，r1和r2为随机函数rand生成的0-1之间的随机数，Pk(t)为第t次迭代的局部最优值，为全局最优值，Xk(t)为第t次迭代的当前粒子位置值；
第t次迭代第k个粒子的位置表达式为第t次迭代第k个粒子的“飞行”速度表达式为/>第t次迭代第k个粒子当前搜索到的最优位置/> 为第t次迭代粒子群中当前搜索到的最优位置值。
10.一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿系统，其特征在于，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-9中任一所述的方法步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310745536.5A CN117007039A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310745536.5A CN117007039A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117007039A true CN117007039A (zh) | 2023-11-07 |
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ID=88560946
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310745536.5A Pending CN117007039A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种半球谐振陀螺惯导系统温度补偿方法及补偿系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117007039A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117433519A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-23 | 武汉优米捷光电子制造有限责任公司 | 一种mems惯性测量组件的高精度温度补偿方法 |
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310745536.5A patent/CN117007039A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117433519A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-23 | 武汉优米捷光电子制造有限责任公司 | 一种mems惯性测量组件的高精度温度补偿方法 |
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