专利名称：低精度压电陀螺零偏实时估计补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种对低精度(是指角速度零偏漂移为0.1 2.0°")压电陀螺零偏 进行实时估计补偿的方法。
技术背景航姿信息是载体运动过程中重要的导航参数，可以通过地磁匹配、卫星导航、无 线电导航等多种手段确定载体的空间位置，但目前所有的导航方式中，唯有惯性导航 具有较强的自主性、全天候和抗干扰能力，因此惯性导航是导航技术发展的主流，在 惯性导航中，陀螺的测量精度是影响惯性导航系统精度的关键因素，较低精度的陀螺 将无法保证惯性导航系统的航姿精度，因此提高陀螺的测量精度势在必行。解决的方 法一般有1)从工艺设计及材料加工等硬件方面改善陀螺性能，提高陀螺指标，伹 此方法受工艺学及材料科学等各方面发展的限制，精度提高有限且成本较髙，开发周 期较长，不能满足实际需求；2)从软件程序方面对陀螺进行零偏、漂移等参数进行 估计并补偿，能够较好地提高陀螺的精度，则成本得到降低，而且开发周期短，能够 较好地根据使用要求进行实时调整相关参数。目前，对于陀螺的精度控制在软件程序方面是依据陀螺的组成机理建立陀螺的误 差模型，从而建立与陀螺性能参数相关的卡尔曼滤波方程，利用有效的观测信息对陀 螺的零偏漂移进行估计与补偿，此方法仅适用于高精度陀螺，但是对于低成本低精度 的陀螺而言则有l)陀螺的测量噪声随机性较强，不满足马尔科夫过程和高斯白噪 声的前提条件，难以对陀螺建立符合卡尔曼滤波方程的线性模型；2)载体运动过程中陀螺测量噪声的不确定性容易导致卡尔曼滤波器发散，难以达到通过软件程序进行补偿来提高陀螺精度的目的。
发明内容
为了解决现有低精度压电陀螺零偏较大、噪声较大造成的航姿系统误差较大的问 题，本发明提出一种适用于低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿方法，利用了陀螺在 载体直线运动过程中的输出角速度均值接近0。/s，并以10s内陀螺输出角速度零偏稳定的原理，以及结合载体的运动状态及陀螺运行状态时输出角速度信息来进行陀螺 的零偏实时估计与补偿，从而达到提高低精度压电陀螺输出角速度信息的精度。本发明是一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，该方法包括有信息采集单元 2、角速度消噪处理单元3、角速度补偿单元4。信息采集单元2对低精度压电陀螺1输出的角速度信息w。进行采集与模数转换 处理后输出数字角速度信息^;角速度消噪处理单元3对接收的数字角速度信息^釆用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方 法进行降噪平滑处理,获得降噪角速度信息《2 ，并将此信息输出给角速度补偿单元4;角速度补偿单元4对接收的降噪角速度信息^与载体直线运动状态下输出的角 速度进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息《3，该信息即为零偏补偿 后的陀螺角速度输出。在本发明中，载体在直线运动状态下，此时角速度补偿单元4 输出的补偿后角速度信息《3绝对值是0.01 0.05°/"本发明零偏实时估计补偿方法的优点(1)载体运动过程中仅仅通过低精度压 电陀螺自身补偿后的角速度信息进行运动状态的判断，有效地提高了低精度压电陀螺 的自主性；在补偿过程中无需其它辅助设备，降低了航姿系统成本；(2)零偏估计 过程中采用三段分析法(即判断层，决策层，应用层)，提高了低精度压电陀螺估计 零偏的可靠性；(3)零偏实时估计补偿依据载体的直线运动状态和压电陀螺消噪后 直线过程中的角速度信息，获得低精度压电陀螺的零偏，在不用建立陀螺误差模型的 条件下，减少了计算量，有效地提髙了系统的运行速度，降低了测试成本；(4)采 用开放式程序代码，方便了系统调试，减少了处理器内存空间的占用；(5)通过与 载体运动状态相结合的陀螺零偏补偿方法能够将低精度压电陀螺输出的角速度信息 精度提高一个数量级，即陀螺零偏漂移由原来的0.1~2.0°"降低到0~0.05°"。
图1是本发明低精度压电陀螺零偏实时估计补偿的结构框图。
图2是本发明低精度压电陀螺零偏实时估计补偿流程图。
图3是釆用本发明陀螺零偏补偿前后的对比曲线图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
在本发明中，对于压电式陀螺输出的角速度零偏漂移为0.1 2.0。"的称作低精 度压电陀螺。
本发明是一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，该方法包括有信息釆集单元 2、角速度消噪处理单元3、角速度补偿单元4，参见图1所示。
信息采集单元2对低精度压电陀螺1输出的角速度信息叫进行采集与模数转换 处理后输出数字角速度信息q;
角速度消噪处理单元3对接收的数字角速度信息q采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方 法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息^2 ,并将此信息输出给角速度补偿单元4;
角速度补偿单元4对接收的降噪角速度信息《2与载体直线运动状态下输出的角 速度进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息A，该信息即为零偏补偿 后的陀螺角速度输出。在本发明中，载体在直线运动状态下，此时角速度补偿单元4 输出的补偿后角速度信息6)3绝对值是0.01 ~0.05°"。
所述汤姆松奇异值剔除方法中包括有角速度釆样点的个数iV 、 iV个角速度釆样 点的平均值7、 iV个角速度采样点的单个采样点:c,、当前时刻A的采样点A、 W个 角速度采样点的方差S2、当前时刻t角速度相对于7V个角速度采样点平均值Jf的偏 离程度r和角速度野点剔除阈值"所述^个角速度釆样点的平均值3 = ;|>,，所述iV个角速度采样点的方差^-H;(;c,-巧2，所述偏离程度"^^，所述角速度野点剔除阈值,=r^^2 。扭-l-r2
所述五点一次平滑满足第二关系式H，第二关系式i/=|o;_2+};—1+;rt+i;+1+};+2),式中，A表示当前时刻，y表示在当前时刻A对称 分布的连续五个采样点。
所述角速度补偿单元4中零偏补偿量Aw釆用三段分析法进行陀螺输出补偿。三 段分析是指判断层，分析层，应用层；其中，判断层是对当前时刻A获得的零偏补偿量AA进行求解与数据保存；分析层是对判断层中的零偏补偿量A^与阈值s比较， 获得表征载体直线运动状态的零偏补偿量Aw ;应用层是采用分析层中的零偏补偿量 Aw进行陀螺的零偏补偿与输出跟踪。所述阈值e的取值是依据低精度压电陀螺l在 静态条件下的输出角速度的变化量而定，则阈值f的取值范围为0.1~0.3°"。在本发明中，载体直线运动状态下输出的角速度为o。"。参见图2所示，本发明的低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿，包括有下列处 理步骤第一步通过数据采集单元2采集当前时刻A:低精度压电陀螺输出的角速度信息叫；第二步在数据消噪单元3中对采集获得的角速度信息q利用汤姆松 (Thompson)奇异值剔除方法进行限定阈值法滤波消噪处理，然后利用五点一次 平滑方法进行平滑消噪处理，从而获得无野点且平滑的补偿前角速度信息巧；第三步在补偿模块中利用前一时刻A-1的零偏补偿量A份^,，当前时刻先压电 陀螺输出的角速度数字信息^ ，判断当前时刻A载体的运动状态是否为直线运动状态；第四步利用第二步骤中的补偿前角速度数字信息^对第三步骤中的直线运动状态进行时间段r内的陀螺角速度信息保存，记为直线数据格式，时间段r内的陀螺 角速度和记为w二，求该段时间内陀螺的均值6^/r，即为陀螺零偏补偿量A^;第五步对陀螺补偿量A^进行三段分析法判断；所谓三段分析法即当前求得的零偏补偿量A^为判断层，与分析层中的补偿量及阈值s比较是否在一定的阈值范围内，如果在一定的阈值范围内则认为该判断层是正确的，可将零偏补偿量传递给应用层，如果不在一定的阈值范围内，则放弃此次的判断结果；第六步:利用应用层估计的零偏补偿量Ao对陀螺进行零偏补偿,即％ = 2-Aw ;第七步保存零偏补偿后的陀螺信息化并进行相关的解算。6 实 施 例请参见图3所示，载体在高空IOOO附、速度300^7/A飞行时低精度压电陀螺 输出的补偿前角速度(或称原始角速度)为曲线I ，图中可以看出陀螺的零偏为1.0 1.5°/"运用本发明的补偿方法，陀螺输出的补偿后角速度为曲线n，图中可以看出陀螺的零偏基本为0°"。本发明通过与载体运动状态相结合的陀螺零偏补偿方法能够将低精度压电陀螺输出的角速度信息精度提高了一个数量级。本发明提出一种适用于低精度压电陀螺的零偏实时估计补偿方法，利用了陀螺在载体直线运动过程中的输出角速度均值接近o。"，并以10s内陀螺输出角速度零偏稳定的原理，以及结合载体的运动状态及陀螺运行状态时输出角速度信息来进行陀螺 的零偏实时估计与补偿，从而达到提高低精度压电陀螺输出角速度信息的精度。解决 现有低精度压电陀螺零偏较大、噪声较大造成的航姿系统误差较大的问题。
权利要求
1、一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于信息采集单元(2)对低精度压电陀螺(1)输出的角速度信息ω0进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω1；角速度消噪处理单元(3)对接收的数字角速度信息ω1采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω2；角速度补偿单元(4)对接收的降噪角速度信息ω2采用与载体直线运动状态相结合进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω3。
2、 根据^(利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于所述汤姆松奇异值剔除方法中包括有角速度采样点的个数w 、 w个角速度釆样点的平均值7、 iV个角速度采样点的单个釆样点x,、当前时刻A的釆样点A、 iV个角速度 采样点的方差S2、当前时刻t角速度相对于iV个角速度采样点平均值3f的偏离程度r和角速度野点剔除阈值,；所述平均值^=^>,，所述方差52=+|; h-巧2 ，所述偏离程度7=^，所述角速度野点剔除阈值^'= 2。
3、 根据^t利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于所 述五点一次平滑满足第二关系式//，所述第二关系式^=*0;—2+>;—,+^+^4+^+2)，式中，A表示当前时刻，r表示在当前时刻A:对称分布的连续五个釆样点。
4、 根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于所 述角速度补偿单元(4)输出的补偿后角速度信息《3绝对值是0.01 0.05°〃。
5、 根据权利要求1所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于所 述角速度补偿单元(4)中零偏补偿量Aw采用判断层、分析层、应用层的三段分析 法进行陀螺输出补偿；其中，判断层是对当前时刻A:获得的零偏补偿量A叫进行求解 与数据保存；分析层是对判断层中的零偏补偿量A化与阈值s比较，获得表征载体直 线运动状态的零偏补偿量Aw ;应用层是采用分析层中的零偏补偿量Aw进行陀螺的 零偏补偿与输出跟踪。
6、 根据权利要求5所述的低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，其特征在于所 述阈值f的取值为0.1~0.3°"。
全文摘要
本发明公开了一种低精度压电陀螺零偏实时补偿方法，信息采集单元(2)对低精度压电陀螺(1)输出的角速度信息ω<sub>0</sub>进行采集与模数转换处理后输出数字角速度信息ω<sub>1</sub>；角速度消噪处理单元(3)对接收的数字角速度信息ω<sub>1</sub>采用汤姆松奇异值剔除方法进行野点剔除获得无野点角速度信息，然后对无野点角速度信息采用五点一次平滑方法进行降噪平滑处理，获得降噪角速度信息ω<sub>2</sub>；角速度补偿单元(4)对接收的降噪角速度信息ω<sub>2</sub>采用与载体直线运动状态相结合的方式进行零偏实时估计与补偿，获得补偿后的角速度信息ω<sub>3</sub>。
文档编号G01C19/5776GK101118160SQ20071012163
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者立 富, 王玲玲, 韬 陶 申请人:北京航空航天大学