一种基于k均值聚类的光纤惯组温度模型系数确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Κ均值聚类的光纤惯组温度模型系数确定方法，属于光纤惯 组标定测试领域。
【背景技术】
[0002] 光纤陀螺惯性组合具有可靠性高、寿命长、启动快、功耗低、生产工艺相对简单等 优势，因而在军事装备及民用领域具有广泛的推广和应用。在光纤陀螺惯组的生产过程中， 调测试环节是惯组出厂前必不可少的步骤，该环节除了筛选出不合格的产品之外，重要的 一项工作即为对惯组的标定，而标定中最为复杂的一项工作为光纤惯组温度模型的建立与 温度模型系数的计算，这是保证惯组能在全温范围内稳定、可靠输出的必要步骤。温度及其 变化率是引起光纤陀螺惯性组合误差的主要环境因素之一，在光纤陀螺惯性组合产品的误 差建模中，一般仅针对产品工作时的温度变化率对惯性仪表的标度因数或零位进行建模， 得到光纤惯组标度因数或零位温度模型方程。
[0003] 批产型号惯组在进行温度建模时，一般采用多阶或一阶拟合方式计算出惯性仪表 标度因数或零位随温度变化的温度模型各项系数。当采用一阶拟合方式计算光纤惯组标度 因数或零位模型系数时，需要对光纤惯组的标度因数或零位与温度的关系曲线进行分段， 利用温度分段点及其所对应的标度因数或零位进行一阶拟合得到温度模型系数，现有技术 中分段点通常都需要技术人员通过经验人工判断得到，进而进行拟合计算，对于拥有丰富 经验的人来说，人工目测判别分段点需要的时间较短，可能一两次就能得到较为合适的结 果，但是对于不熟悉该产品性能和该项操作的人，常常需要通过数次比较，才能得到满足要 求的温度分段点计算出最接近真实值的拟合值。此外，无论对分段操作是否熟悉，人工目测 分段点总是充满不确定性和随机误差，不同人员和相同人员的不同次判断都会存在一定的 差异，无法从根本上保证分段操作的准确性和一致性，从而制约了产品温度模型系数的计 算效率和可靠性，对产品质量存在一定隐患。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种基于Κ均值聚类的光纤 惯组温度模型系数确定方法，该方法效率高且分段结果精确可靠，避免了手动分段的随机 误差与重复操作，有效保证了光纤惯组温度模型系数的计算效率和可靠性，为实现光纤惯 组在全温范围内稳定、可靠输出奠定基础。
[0005] 本发明的技术解决方案是：1、一种基于Κ均值聚类的光纤惯组温度模型系数确定 方法，其中光纤惯组的标度因数或零位与温度的关系曲线的分段数目事先给定，包括以下 步骤：
[0006] (1)为光纤惯组通电，采集光纤惯组加速度计和陀螺仪的输出以及温度，通过加速 度计和陀螺仪的输出计算得到光纤惯组的标度因数和零位，根据光纤惯组的标度因数及温 度关系建立光纤惯组标度因数温度模型，根据零位及温度关系建立光纤惯组零位温度模 型，得到光纤惯组的标度因数与温度的关系曲线以及零位与温度的关系曲线；
[0007] (2)在光纤惯组的标度因数或零位与温度的关系曲线中，计算相邻两个温度点所 确定的直线的斜率，并将得到的斜率按直线在关系曲线中的顺序进行编号；
[0008] (3)利用K均值聚类算法，对步骤(2)得到的斜率按照给定的分段数目进行聚类计 算，得到每个斜率的类别号，根据每个斜率的类别号和编号，得到可能的温度分段点，所述 可能的温度分段点构成温度分段点数组；
[0009] (4)根据得到的温度分段点数组和给定的分段数目，遍历各种分段情况，得到对应 每种分段下的标度因数或零位组合D g，其中每种分段情况对应一种温度分段点组合；
[0010] (5)将每种分段下的标度因数或零位组合与对应的温度分段点进行一阶拟合，计 算得到每种分段下光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数；
[0011] (6)利用每种分段下光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数及温度点计 算得到每种分段下的拟合值，进而得到每种分段下的拟合值与原始值的残差Dif;
[0012] (7)根据步骤(6)得到的残差求取最小残差minDif，最小残差所对应的该组温度分 段点即为最佳温度分段点组合，利用该组温度分段点及其所对应的标度因数或零位进行一 阶拟合，得到的温度系数即为最佳的光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数。
[0013] 2、一种基于K均值聚类的光纤惯组温度模型系数确定方法，其中光纤惯组的标度 因数或零位与温度的关系曲线的分段数目不确定，包括以下步骤：
[0014] (1)为光纤惯组通电，采集光纤惯组加速度计和陀螺仪的输出以及温度，通过加速 度计和陀螺仪的输出计算得到光纤惯组的标度因数和零位，根据光纤惯组的标度因数及温 度关系建立光纤惯组标度因数温度模型，根据零位及温度关系建立光纤惯组零位温度模 型，得到光纤惯组的标度因数或零位与温度的关系曲线；
[0015] (2)在光纤惯组的标度因数或零位与温度的关系曲线中，计算相邻两个温度点所 确定的直线的斜率，并将得到的斜率按直线在关系曲线中的顺序进行编号；
[0016] (3)利用K均值聚类算法，对步骤(2)得到的斜率按照分段数目N进行聚类计算，得 到每个斜率的类别号，根据每个斜率的类别号和编号得到可能的温度分段点，所述可能的 温度分段点构成温度分段点数组;所述N的初值为1，进入步骤(4);
[0017] (4)根据步骤(3)得到的温度分段点数组，遍历分段数目为N时的各种分段情况，得 到每种分段下的标度因数或零位组合〇 8，进入步骤(5)，其中每种分段情况对应一种温度分 段点组合；
[0018] (5)将每种分段下的标度因数或零位组合与对应的温度分段点进行一阶拟合，计 算得到每种分段下光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数，进入步骤(6);
[0019] (6)利用每种分段下光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数及温度点计 算得到每种分段下的拟合值，进而得到每种分段下的拟合值与原始值的残差Dif，进入步骤 (7)；
[0020] (7)根据步骤(6)得到的残差求取最小残差minDif，判断最小残差是否满足要求， 若满足，则该最小残差所对应的该组温度分段点为符合条件的最佳温度分段点，进入步骤 (9);若不满足要求，则当前分段数目不达标，进入步骤(8);
[0021] (8)N的值加1，判断N是否大于M_1，M为温度点个数，若不大于，则进入步骤(3)，在 新的分段数目下寻找符合条件的最佳温度分段点，否则，判定没有符合要求的温度分段点， 结束；
[0022] (9)利用步骤(7)中得到的最佳温度分段点及其所对应的标度因数或零位进行一 阶拟合，得到的温度系数即为最佳的光纤惯组标度因数温度模型或零位温度模型系数。
[0023] 所述步骤(2)中计算相邻两个温度点所确定的直线斜率的实现方法为：
[0024] 若每个温度点下只对应一个输出值，则
[0025]
[0026] 其中Ki为第i个温度点和第i+1个温度点所确定直线的斜率，Di为第i个温度点所对 应的零位或标度因数，D1+1为第i+Ι个温度点所对应的零位或标度因数，1\为第i个温度点的 温度，T i+1为第i+Ι个温度点的温度；
[0027] 若每个温度点下对应一组输出值，则所述步骤(2)中计算相邻两个温度点所确定 的直线斜率的实现方法为:采用一阶拟合的方式计算相邻两个温度点所确定的直线斜率， 即将相邻两个温度点与其对应的一组输出进行一阶拟合，拟合出的一次项系数即为所求直 线的斜率。
[0028] 所述步骤(3)根据每个斜率的类别号和编号得到分段点数组的实现方式为：
[0029] (4.1)判断编号相邻的两条直线斜率的类别号是否相同，若相同，则这两条直线间 无分段点;若不同，则这两条直线共有的端点为一个温度分段点；
[0030] (4.2)重复步骤(4.1)，直到完成所有相邻直线斜率的类别号比较，得到的所有温 度分段点构成温度分段点数组。
[0031] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0032] (1)本发明在分段数目确定时，首先利用K均值聚类算法将相邻温度点确定的直线 斜率分类并记录各斜率的类别号，然后根据类别号得到所有可能的分段点，采用遍历方式 将所有分段点进行组合并通过判断残差得到当前分段数目下的最佳温度分段点。相比手动 分段时需要数次尝试才能得到最优解的方式，效率高且准确度得以保障，避免了手动分段 的重复操作和随机误差，有效保证了温度模型系数的计算效率和可靠性。