一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法
【专利摘要】本发明公开了一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，传统的闭环融合控制能够一定程度提高测量带宽，但是这种方式需要手工调整控制器参数的方法，很难得到最优值，造成在频率交接点存在一定的波动，降低使用融合数据的控制器的性能。针对以上问题，提出了一种提高测量带宽的最优闭环融合方法。本发明的思路与传统方法正好相反，建立带参数的校正器，然后推导融合输出的闭环特性，以最优融合输出作为条件，解算校正器参数。本发明的方法可有效扩展低带宽传感器的测量带宽，同时对幅值和相位的影响很小。
【专利说明】
-种不同带宽传感器的最优闭环融合方法
技术领域
[0001] 本发明属于稳定控制技术领域，具体设及一种最优闭环滤波融合方法实现高带宽 传感器和低带宽传感器的数据融合，扩展了惯性测量带宽。
【背景技术】
[0002] 惯性稳定平台需要谐振频率高、响应快、线性度好的机械结构。采用传感器反馈的 主动稳定控制回路能够有效抑制低频扰动，带宽越宽，稳定能力越高，但高带宽传感器，例 如线加速度计等对低频的响应差，而低带宽传感器的最大响应频率只能达到100~200Hz， 例如机械巧螺，微机械巧螺，音叉巧螺等。
[0003] 针对上述问题，国防科技大学的胡浩军等尝试利用线加速度计实现稳定平台的惯 性测量，但线加速度计在带宽和精度间存在矛盾，虽然有带宽较宽OlOKHz)的线加速度计， 由于加速度信号正比于信号的频率，带宽的加速度计其比例因子必然较小，对于低频小幅 的振动，输出信号几乎煙没在噪声中。肝L实验室在光通信的研究中，实现在加速度计的随 机噪声约SOiig的条件下，可将反射镜的抑制带宽提高到70化。还有一些研究者提出用多传 感器信息融合的方式，利用巧螺与角速率传感器的信息融合，实现了惯性传感器带宽的扩 展，获得从直流到上千赫兹的惯性测量带宽。
[0004] 多传感器信息融合是指运用数据融合技术综合处理来自多个传感器的数据和相 关信息，获得比运用单个、孤立的传感器更加详细而精确的结论。就目前的多传感器信息融 合技术主要有=种方法:基于频率响应的综合滤波方法、Kalman滤波方法、闭环滤波方法。 相较前面两种方法，闭环控制的数据融合方案是一种既简单又巧妙的方法，可W不必知道 传感器的模型或者传递函数，只要根据被融合的传感器频率范围，调整对应的融合控制器 参数，即可传感器数据较好融合。
[0005] 但是运种方法的实现思路是先建立校正器，通过调整校正器的参数W获得接近理 想输出的闭环特性，运种方法实现较为简单，但通过手工调整参数，很难得到最优值，造成 在频率交接点存在一定的波动，降低使用融合数据的控制器的性能。而本发明提出的最优 闭环滤波融合方法实现思路与之相反，应先建立带参数的校正器，然后推导融合输出的闭 环特性，W最优融合输出作为条件，解算校正器参数。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于:基于闭环控制的数据融合的方法，用低通传感器测量的低频 数据实时校正没有低频分量的高通传感器的测量数据，从而得到在高低频段宽带宽测量的 融合数据。采用区别于传统的手工调整控制器参数的方法，建立带参数的校正器，然后推导 融合输出的闭环特性，W最优融合输出作为条件，解算校正器参数。本发明的方法可有效扩 展了惯性测量带宽，同时对幅值和相位的影响很小。
[0007] 本发明采用的技术方案为：一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，该方法步 骤如下：
[0008] 步骤（I):将振动量作为控制器输入参考，分别送入低带宽传感器和高带宽传感 器，加入校正器对低带宽传感器的输出进行校正；
[0009] 步骤(2):将高带宽传感器输出和校正后的低带宽传感器输出的融合输出作为控 制器、低带宽传感器和高带宽传感器组成的控制系统的反馈量；
[0010] 步骤(3):设计校正器，建立带参数的校正器，然后推导融合输出的闭环特性，W最 优融合输出作为条件，解算校正器参数。
[0011] 其中，步骤(3)中利用融合输出与理想输出的偏差作为目标函数，解算校正器频率 特性与最优融合比的关系，还可W采用最小误差平方，牛顿法来求解最优解。
[0012] 其中，步骤(3)中对于校正器的设计，校正器的闭环特性同样可W采用2阶低通滤 波器、3阶低通滤波器来实现。
[0013] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0014] (1)同基于频率响应的综合滤波方法和Kalman滤波方法相比，本发明采用的闭环 控制的数据融合方案是一种既简单又巧妙的方法，可W不必知道传感器的模型或者传递函 数，只要根据被融合的传感器频率范围，调整对应的融合控制器参数，即可传感器数据较好 融合。
[0015] (2)传统的融合滤波器的实现思路是先建立校正器，通过调整校正器的参数W获 得接近理想输出的闭环特性，运种方法实现较为简单，但通过手工调整参数，很难得到最优 值。本发明先获取能得到最优融合输出的闭环特性，再根据闭环特性解算出校正器参数。可 W准确确定校正器参数，得到最优值。
[0016] (3)本发明的方法可有效扩展低带宽传感器的测量带宽，同时对幅值和相位的影 响很小。
【附图说明】
[0017] 图1为闭环控制方案；
[001引图2为不同参数k的|F( j CO )-11误差（1阶滤波器）；
[0019]图3为不同参数k的|F( j W )-11误差(2阶滤波器）；
[0020]图4为不同参数k的|F( j CO )-1 I误差(3阶滤波器）。
【具体实施方式】
[0021 ] W下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0022] 本发明一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，具体步骤如下：
[0023] 步骤（1):本发明利用闭环融合滤波的基本控制如图1所示，其中高带宽传感器采 用GHigh(S)，低带宽传感器Gl?(s)，其融合后的输出特性为：
[nno/il ：I)
[0025] 其中，Y(S)表示控制系统输出特性，R(S)表示控制系统输入特性，Gc(S)表示控制 系统校正器，GciDse( S )表示控制系统闭环特性，GRestrain( S )表示系统抑制特性。
[0026] 步骤(2):对于系统反馈回来的信号，将高带宽和校正后的低带宽的融合输出作为 系统反馈量；
[0027]步骤(3):对于如式（1)所示的输出特性，要得到理想的特性，则要求融合滤波器闭 环特性使得：
[002引
（2)
[0029] 融合滤波器抑制特性使得：
[0030]
(3)
[0031] 将低通传感器和高通传感器的传递特性分别近似为：
[0032] (4)
[0033]
[0034] 15)
[00对其中，col?表示低通传感器角频率，COHigh表示高通传感器角频率。
[0036] 若校正器的闭环特性O (S)为1阶低通滤波器，其频率特性为：
[0037] (后)
[00；3 引
[0039] (7)[0040] 融合后的输出的频率响应特性为：
[0041 ] ^8)
[0042]
[0043] (9)
[0044] 传感器输出的期望特性为：
[0045] F(j O ) I = 1 (10)
[0046] 即融合输出为全通，则融合滤波器的设计要求变为寻求一个OFilter，在所使用的 频率范围内，使得I F( j CO ) I与1的偏差最小。
[0047] 令k为融合比，O Filter的取值为：
[004引 Uly
[0049]
[(K)加 ]
[0化1]其中，k 的取值在0 ~1 之间，当 k = 0 时，"Filter= ?High;k=l 时，"Filter= "Low。要 获得更好的滤波特性，可将校正器的闭环特性? (S)设计为2阶，甚至3阶低通滤波器，2阶频 率特性为：
[0052] 03)
[0化3]
[0化4] M4)
[0055] 图2反映的是闭环特性为1阶滤波器时，融合比k取值不同时，融合输出特性与期望 特性的误差，仿真条件的W Low = 85巧*町ad/s与W High= 1.6*2*町ad/s。。当k = 0.5时，融合 输出的误差最小，贝化=0.5为最优融合。
[0056] 图3反映的是闭环特性为2阶滤波器时，融合比k取值不同时，融合输出特性与期望 特性的误差，k = 0.65为最优参数。
[0057] 图4反映的是闭环特性为3阶滤波器时，融合比k取值不同时，融合输出特性与期望 特性的误差，k = 0.7为最优参数。
[0化引巧据酣壁的闲巧賠性，可得到开环特性，即校正环节的传递函数：
[0化9]
(15)
[0060]例如，当期望的闭环特性为3阶滤波器时，将O (S)整理为：
[0064」巧现刃i型《魂。
[0061 ： (16:)
[0062： 环节可进一步表示为：
[0063： (17)
【主权项】
1. 一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，其特征在于:该方法步骤如下： 步骤（1):将振动量作为控制器输入参考，分别送入低带宽传感器和高带宽传感器，加 入校正器对低带宽传感器的输出进行校正； 步骤(2):将高带宽传感器输出和校正后的低带宽传感器输出的融合输出作为控制器、 低带宽传感器和高带宽传感器组成的控制系统的反馈量； 步骤(3):设计校正器，建立带参数的校正器，然后推导融合输出的闭环特性，以最优融 合输出作为条件，解算校正器参数。2. 根据权利要求1所述的一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，其特征在于:步骤 (3)中利用融合输出与理想输出的偏差作为目标函数，解算校正器频率特性与最优融合比 的关系，还可以采用最小误差平方，牛顿法来求解最优解。3. 根据权利要求1所述的一种不同带宽传感器的最优闭环融合方法，其特征在于:步骤 (3)中对于校正器的设计，校正器的闭环特性同样可以采用2阶低通滤波器、3阶低通滤波器 来实现。
【文档编号】G05B13/02GK105955016SQ201610370011
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】陈静, 邓超, 李志俊, 江彧, 毛耀
【申请人】中国科学院光电技术研究所