CN206540554U - 双轴数字陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种双轴数字陀螺仪，包括主控模块、陀螺传感器、A/D转换模块、输出模块；所述陀螺传感器连接A/D转换模块，所述A/D转换模块、主控模块、输出模块依次连接；所述陀螺传感器包括角速率感应传感器和温度传感器；所述角速率感应传感器用于感测陀螺旋转角速度，获得角速率数据；所述温度传感器用于采集陀螺传感器的温度信号；所述角速率感应传感器和温度传感器分别与A/D转换模块相连接；所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、复位电路；时钟电路、复位电路分别与主控芯片连接。本方案电路简单，性能稳定；陀螺芯片和温度传感器集成在一起，能更精准的测试陀螺芯片的工作温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及惯性技术领域，特别涉及一种双轴数字陀螺仪。
背景技术
过去普遍使用机械式的角速率陀螺，如液浮角速率陀螺、挠性有旋转马达的角速率陀螺等，这些角速率陀螺在实际应用中存在体积的大，价格昂贵、易损坏的缺点；
随着电子技术的进步，出现了许多微机械-电子系统的角速率陀螺，如开环角速率陀螺等，但这类角速率陀螺的输出受技术和和成本影响，陀螺的零位漂移受温度影响很大，有的角速率陀螺的零位偏差没有经过补偿，且输出电压受温度的影响很大，其输出结果有较大误差，如果直接采用角速率陀螺的输出数据，则不能真实地反应载体的运动，从而会对用户载体的运动监测及控制产生重大影响。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在至少解决所述的技术缺陷之一。
为了实现上述目的，本实用新型一方面的实施例提供一种双轴数字陀螺仪，包括主控模块、陀螺传感器、A/D转换模块、输出模块；所述陀螺传感器连接A/D转换模块，所述A/D转换模块、主控模块、输出模块依次连接。
所述陀螺传感器包括角速率感应传感器和温度传感器；所述角速率感应传感器和温度传感器分别与A/D转换模块相连接。
所述A/D转换模块的输入端与所述角速率感应传感器的输出端和所述温度传感器的输出端连接，所述A/D转换模块的输出端与所述主控模块的输入端连接。
所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、复位电路；时钟电路、复位电路分别与主控芯片连接。
优选的，所述主控芯片采用STM32F103C8T6处理器。
进一步，所述时钟电路包括晶振、第一电容、第二电容；主控芯片STM32F103C8T6的第5管脚和第6管脚之间串联晶振，晶振的两端分别连接第一电容的一端、第二电容的一端，第一电容的另一端、第二电容的另一端接地，形成时钟电路。
优选的，所述复位电路包括第一电阻、第三电容，主控芯片的第7管脚连接第一电阻的一端、第三电容的一端，第一电阻的另一端接电源输入端、第三电容的另一端接地，形成主控芯片的复位电路。
优选的，所述陀螺传感器和A/D转换模块分别设置为两组，且分别设置在陀螺的X轴方向和Y轴方向，其中，所述陀螺传感器包括：X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器、Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器,其中，所述X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器与X轴方向的A/D转换模块相连；所述Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器与Y轴方向的A/D转换模块相连。
优选的，所述输出模块采用串口芯片。
本实用新型实施例的相比于现有技术至少存在以下优点，电路简单，性能稳定；陀螺芯片和温度传感器集成在一起，能更精准的测试陀螺芯片的工作温度，计算出补偿温度补偿公式对数据进行修正。可在-40℃到+85℃范围内检测和实现对零点和比例因子的漂移及温度引起的机械结构变化带来的影响进行补偿。
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型双轴数字陀螺仪的结构框图；
图2为本实用新型实施例双轴数字陀螺仪的主控电路模块的电路原理图；
图3a为本实用新型实施例双轴数字陀螺仪的输出电路模块的电路原理图；
图3b为本实用新型实施例双轴数字陀螺仪的输出电路模块的串口接口的电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
如图1所示，本实用新型实施例的一种双轴数字陀螺仪，包括主控模块、陀螺传感器、A/D转换模块、输出模块；陀螺传感器连接A/D转换模块，A/D转换模块、主控模块、输出模块依次连接。
陀螺传感器包括角速率感应传感器和温度传感器；角速率感应传感器用于感测陀螺旋转角速度，获得角速率数据，并将角速率数据发送至A/D转换模块；温度传感器用于采集陀螺传感器的温度信号，并将温度信号发送至A/D转换模块；角速率感应传感器和温度传感器分别与A/D转换模块相连接。
A/D转换模块，用于接收角速率感应传感器和温度传感器发送的角速率数据和温度信号，并将角速率数据和温度信号输送到主控模块。
如图2所示，主控模块包括主控芯片、时钟电路、复位电路；时钟电路、复位电路分别与主控芯片连接，主控芯片采用STM32F103C8T6处理器，时钟电路包括时钟电路包括晶振Y1、第一电容C15、第二电容C16；STM32F103C8T6的第5管脚和第6管脚之间串联晶振Y1，晶振Y1的两端分别连接第一电容C15的一端、第二电容C16的一端，第一电容C15的另一端、第二电容C16的另一端接地，形成时钟电路。
复位电路包括第一电阻R7、第三电容C14，主控芯片的第7管脚连接第一电阻R7的一端、第三电容C14的一端，第一电阻R7的另一端接3.3V、第三电容C14的另一端接地，形成主控芯片的复位电路。
优选的，所述陀螺传感器和A/D转换模块分别设置为两组，且分别设置在陀螺的X轴方向和Y轴方向，其中，所述陀螺传感器包括：X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器、Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器,其中，所述X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器与X轴方向的A/D转换模块相连；所述Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器与Y轴方向的A/D转换模块相连。
主控芯片接收A/D转换模块发送的角速率数据和温度信号，并将角速率数据进行第一次补偿算法，得出初始补偿角速率数据；并将初始补偿角速率数据和温度信号进行第二次补偿算法。第一次补偿算法，具体包括以下步骤：
步骤1，在常温下采集X轴、Y轴角速率数据；具体为，采集多组预设时间范围的零位输出数据，根据预设固定时间梯度，进行数据平滑，求得平均值，然后利用各平均值求出各组平均值。其中数据进行平滑处理的过程，包括去除噪声数据、求取本时间梯度的平均值；然后再根据各个时间梯度的平均值进行加和或加权计算求出该时间范围内的最终平均值。
步骤2，计算出量程范围内的各点平均测量值信息，使用最小二乘法将平均测量值拟合计算得到比例因子；
步骤3，利用前面计算得到的比例因子得出其零位偏移，根据计算得到的比例因子和零位偏移建立系统补偿模型，得出角速率数据输出值。
第二次补偿算法具体包括以下步骤：
步骤4，建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；具体包括，在预设温度范围内根据预设温度梯度采集一组X轴、Y轴角速率的全量程数据，计算出各温度下的比例因子和零位偏移；
步骤5，在预设温度范围内根据预设的温度梯度采集一组X轴、Y轴角速率的全量程数据，计算出各温度下的比例因子和零位偏移；
步骤6、利用最小二乘法将比例因子和零位偏移拟合，得到比例因子与温度梯度的二次关系，零位偏移与温度的三次关系，进行二次补偿，得出各温度节点下的角速率数据。
具体为，在步骤1-步骤3中，
依据标准:GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法计算其零位偏移F0，采集4组100s的数据，对其做1s平滑，求出每组平滑后数据的平均值，然后再求平均，建立零位偏移系统补偿模型，利用前面计算得到的比例因子得出其零偏。
具体为首先根据测量数据Ωij和角速率输出值计算出量程范围内的各点平均测量值信息；
建立零位偏移建立系统补偿模型
Fj＝K·Ωij+F0+Vj
使用最小二乘法将平均测量值拟合计算得到比例因子
进而求得零位偏移F0满足
则补偿后的角速率数据
其中，Ωij为第j个输入角速度，为陀螺在第j个输入角速度第p个输出数据，K比例因子，K0为原始陀螺芯片比例因子，F0为零位偏移，Fj为陀螺仪在第j个输入角速度输出量平均值，CS为补偿后的角速率数据,Vj为拟合零位误差。
具体为，在步骤4-步骤6中；
在-40℃—60℃温度范围内每5℃采集一组X轴、Y轴角速率的全量程数据，计算出各温度下的比例因子和零位偏移，利用最小二乘法将比例因子和零位偏移拟合得到比例因子和零位偏移与温度的关系。
具体为根据上述步骤1-步骤3中分别求得的温度T时刻时比例因子KT和零位偏移量F0T
根据多项式拟合Q(t)＝a0tn+a1tn-1+…+an-1t1+an
建立比例因子KT与温度T的二次关系
KT＝a1T2+b1T+c1
建立零位偏移量F0T与温度T的三次关系
F0T＝a2T3+b2T2+c2T+d2
使用最小二乘法将平均测量值拟合系数a1、b1、c1a2、b2、c2、d2
第二次补偿后的角速率数据
其中，KT为温度T时陀螺芯片比例因子；F0T为温度T时的零位偏移量；CS第一次为补偿后的角速率数据；K0为原始陀螺芯片比例因子。
输出模块连接主控模块，用于将二次补偿后的最终角速率数据输出。
如图3a所示，输出模块包括芯片U3、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R4、电阻R5；芯片U3优选的选用串口芯片MAX3160EAP，芯片U3的电源输入端连接电容C9的一端，电容C9的另一端接地；芯片U3的第一输出端与第二输出端之间串联电阻R4。
如图3b所示，芯片U3的第一输入端与第二输入端之间串联电阻R5，第一输出端、第二输出端、第一输入端、第二输入端分别连接相应的串口接口J6、J5、J4、J3。
本实用新型实施例的相比于现有技术至少存在以下优点，电路简单，性能稳定；陀螺芯片和温度传感器集成在一起，能更精准的测试陀螺芯片的工作温度，计算出补偿温度补偿公式对数据进行修正。可在-40℃到+85℃范围内检测和实现对零点和比例因子的漂移及温度引起的机械结构变化带来的影响进行补偿。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，包括主控模块、陀螺传感器、A/D转换模块、输出模块；所述陀螺传感器连接A/D转换模块，所述A/D转换模块、主控模块、输出模块依次连接；
所述陀螺传感器包括角速率感应传感器和温度传感器；所述角速率感应传感器和温度传感器分别与A/D转换模块相连接；
所述A/D转换模块的输入端与所述角速率感应传感器的输出端和所述温度传感器的输出端连接，所述A/D转换模块的输出端与所述主控模块的输入端连接；
所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、复位电路；时钟电路、复位电路分别与主控芯片连接。
2.根据权利要求1所述的一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，所述主控芯片采用STM32F103C8T6处理器。
3.根据权利要求2所述的一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，所述时钟电路包括晶振、第一电容、第二电容；主控芯片STM32F103C8T6的第5管脚和第6管脚之间串联晶振，晶振的两端分别连接第一电容的一端、第二电容的一端，第一电容的另一端、第二电容的另一端接地，形成时钟电路。
4.根据权利要求2所述的一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，所述复位电路包括第一电阻、第三电容，主控芯片的第7管脚连接第一电阻的一端、第三电容的一端，第一电阻的另一端接电源输入端、第三电容的另一端接地，形成主控芯片的复位电路。
5.根据权利要求1所述的一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，所述陀螺传感器和A/D转换模块分别设置为两组，且分别设置在陀螺的X轴方向和Y轴方向，其中，所述陀螺传感器包括：X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器、Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器,其中，所述X轴方向角速率感应传感器、X轴方向温度传感器与X轴方向的A/D转换模块相连；所述Y轴方向角速率感应传感器、Y轴方向温度传感器与Y轴方向的A/D转换模块相连。
6.根据权利要求1所述的一种双轴数字陀螺仪，其特征在于，所述输出模块采用串口芯片。
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| CN108828253A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-11-16 | 山东师范大学 | 一种双轴声表面波角速率传感器 |
| CN110440786A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-12 | 浙江大学 | 单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Double-axis digital gyroscope and gyroscope multi-level error compensation method Effective date of registration: 20180427 Granted publication date: 20171003 Pledgee: Huaxia Bank Limited by Share Ltd. Zhongguancun Beijing branch Pledgor: BEIJING SDI SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2018990000325 |
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Effective date of registration: 20190505 Granted publication date: 20171003 |
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Date of cancellation: 20220505 Granted publication date: 20171003 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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