双轴数字陀螺仪及陀螺仪多层次误差补偿方法与流程

本发明涉及惯性技术领域，特别涉及双轴数字陀螺仪及陀螺仪多层次误差补偿方法。

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。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述的技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出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，并将角速率数据发送至A/D转换模块；所述温度传感器，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；

所述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，并将所述角速率数据和温度信号输送到主控模块；

所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、复位电路；所述时钟电路、复位电路分别与主控芯片连接，所述主控芯片接收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；并将补偿角速率数据和温度信号进行第二次补偿算法，得到最终补偿角速率数据；

所述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。

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，所述主控模块执行所述第一次补偿算法，具体包括以下步骤：

在常温下采集X轴、Y轴角速率数据，包括：采集多组预设时间范围的零位输出数据，根据预设时间梯度，对所述X轴、Y轴角速率数据进行数据平滑，求得平均值，然后利用各平均值求出各组平均值；

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；

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。

优选的，所述第二次补偿算法具体包括以下步骤：

建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；

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；

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。

本发明还提供一种陀螺仪多层次误差补偿方法，其特征在于，具体包括，

步骤S1，在常温下，利用陀螺仪的角速率感应传感器，采集X轴、Y轴角速率数据；

步骤S2，将采集的角速率数据进行A/D转换后并利用第一次补偿算法进行处理，得出补偿角速率数据；

所述第一次补偿算法的计算过程包括：

步骤S201，在常温下采集X轴、Y轴角速率数据；具体包括，采集多组预设时间范围的零位输出数据，根据预设时间梯度，对所述X轴、Y轴角速率数据进行数据平滑，求得平均值，然后利用各平均值求出各组平均值；

步骤S202，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S203，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。

步骤S3，利用温度传感器采集温度信号，将温度信号和补偿角速率数据进行第二次补偿算法，并利用第二次补偿算法进行二次补偿，得出各温度节点下的角速率数据。

步骤S3中所述第二次补偿算法的计算过程包括：

步骤S301，建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；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S302，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；

步骤S303，根据拟合结果，建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；进行二次补偿，得出各温度节点下的角速率数据。

优选的，步骤S201中，采集X轴、Y轴角速率数据时，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。

优选的，步骤S301中所述建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型时，采用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。

优选的，所述角速率感应传感器和温度传感器共设有两组包括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。

为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供的双轴数字陀螺仪及陀螺仪多层次误差补偿方法相比于现有技术至少存在以下优点

1、可以针对角速率传感器的系统零位偏差、零位偏差温度灵敏度、比例因子、比例因子温度灵敏度等特性，进行两次补偿，从而保证输出数据的比例因子恒定，保证测量精度。

2、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。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/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为本发明一种双轴数字陀螺仪的结构框图；

图2为本发明实施例一种双轴数字陀螺仪的主控电路模块的电路原理图；

图3为本发明实施例一种双轴数字陀螺仪的输出电路模块的电路原理图；

图4为本发明一种陀螺仪多层次误差补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一方面的实施例提出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；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。

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，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，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；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。

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，STM32F103C8T6的第5管脚和第6管脚之间串联晶振Y1，晶振Y1的两端分别连接电容C15的一端、电容C16的一端，电容C15的另一端、电容C16的另一端接地，形成时钟电路。

复位电路包括电阻R7、电容C14，主控芯片的第7管脚连接电阻R7的一端、电容C14的一端，电阻R7的另一端接3.3V、电容C14的另一端接地，形成主控芯片的复位电路。

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Ω_ij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

F_j＝K·Ω_ij+F₀+V_j

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，Ω_ij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，F_j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,V_j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K_T和零位偏移量F_0T

根据多项式拟合Q(t)＝a₀tⁿ+a₁t^n-1+…+a_n-1t¹+a_n

建立比例因子K_T与温度T的二次关系

K_T＝a₁T²+b₁T+c₁

建立零位偏移量F_0T与温度T的三次关系

F_0T＝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，K_T为温度T时陀螺芯片比例因子；F_0T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3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，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。

如图4所示，本发明还提出一种陀螺仪多层次误差补偿方法，具体包括；

步骤S1，在常温下，利用角速率感应传感器，采集X轴、Y轴角速率数据；

步骤S2，将采集的角速率数据进行A/D转换后并利用第一次补偿算法进行处理，得出补偿角速率数据；

步骤S3，利用温度传感器采集温度信号，将温度信号和补偿角速率数据进行第二次补偿算法，并利用第二次补偿算法进行二次补偿，得出各温度节点下的角速率数据。

步骤S2中第一次补偿算法具体为：

步骤S201，在常温下采集X轴、Y轴角速率数据；

步骤S201中，采集X轴、Y轴角速率数据时，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。

步骤S202，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S203，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。

具体为依据标准: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位偏移量。

具体为首先根据测量数据Ω_ij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

F_j＝K·Ω_ij+F₀+V_j

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，Ω_ij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，F_j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,V_j为拟合零位误差。

步骤S3中第二次补偿算法具体为：

步骤S301，建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；

步骤S301中建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型时，采用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。

步骤S302，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；

步骤S303，根据拟合结果，建立基于温度的陀螺温度漂移误差补偿模型；进行二次补偿，得出各温度节点下的角速率数据。

具体为，

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S201-步骤S203中分别求得的温度T时比例因子K_T和温度T时零位偏移量F_0T

根据多项式拟合Q(t)＝a₀tⁿ+a₁t^n-1+…+a_n-1t¹+a_n

建立比例因子K_T与温度T的二次关系

K_T＝a₁T²+b₁T+c₁

建立零位偏移量F_0T与温度T的三次关系

F_0T＝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，K_T为温度T时陀螺芯片比例因子；F_0T为温度T时零位偏移量；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。

经分析，比例因子采用二次拟合，零位偏移采用三次拟合比较简便且拟合度高，

然后在一次补偿的基础上进行二次补偿，此次补偿消除了因温度引起的偏差。本发明可以针对角速率传感器的系统零位偏差、零位偏差温度灵敏度、比例因子、比例因子温度灵敏度等特性，进行两次补偿，从而保证输出数据的比例因子恒定，保证测量精度。

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发明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预设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发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。