CN108534799A - 一种利用mems修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，包括利用MEMS芯片采集MEMS陀螺分别对应光纤陀螺三个轴向的原始输出参数；对MEMS陀螺的原始输出参数进行误差补偿后将其转换到光纤陀螺坐标系中；根据光纤陀螺的工作条纹级数，设定光纤陀螺的初始修正值；根据采集到的光纤陀螺数据、MEMS陀螺数据和/或初始修正值，获取光纤陀螺修正数据与MEMS陀螺数据的参数差值；利用参数差值对条纹调整级数进行判断，确定光纤陀螺的实时修正值，利用光纤陀螺修正值对光纤陀螺数据进行修正并输出。本发明技术方案还公开了一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置。本发明解决了恶劣动态环境下由光纤陀螺固有特性引起的跨条纹问题，保证了光纤陀螺输出的可靠性。

Description

一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法及装置

技术领域

本发明属于光纤陀螺测量领域，具体涉及一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法及装置。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速率传感器，由于其成本低、工艺简单、可靠性高、抗冲击振动能力强，兼有全固态结构、抗冲击振动、动态范围大、频带宽、易于数字化实现等优点，应用前景备受重视，已经成为目前主流的传感器之一，广泛应用于航空、航天、航海等多个重要领域。精度是光纤陀螺性能的一个重要衡量指标。目前，光纤陀螺主要通过增大光纤环有效直径以及加长光纤环长度提高精度，但是这会导致其单条纹工作区间减小，在大量级振动、冲击条件下更容易产生跨条纹现象，使得光纤陀螺工作在错误的条纹区间，影响了光纤陀螺在对动态环境要求较高领域的应用。

现有技术在陀螺条纹测量(包括单条纹和跨条纹)的问题上，提出了大量的解决办法。具体来说，CN101408426B中提出了一种增大光纤陀螺量程的方法，其通过设计光纤陀螺双敏感环光路，并对敏感环测量得到的信号进行解调和修正，以使光纤陀螺在快速旋转的情况下上电启动时，能够分辨出所处的条纹级别。CN103900551B中公开了一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法，其主要是利用MEMS对高精度闭环光纤陀螺输出结果进行修正，从而使得高精度光纤陀螺在大角速度下也可以正常工作，达到增大闭环光纤陀螺量程的目的。CN104949699A则公开了一种基于磁阻传感器扩大光纤陀螺量程的方法，解决的是光纤陀螺启动瞬间必须在第一级干涉条纹内的限制，并扩大了光纤陀螺的量程。

可以看出，现有技术在陀螺条纹测量的问题上主要采取扩大量程的方法，虽然扩大光纤陀螺的跨条纹测量量程或者单条纹测量量程可以解决光纤陀螺测量量程的问题，但是这些方法都是针对光纤陀螺在大角度或者旋转情况下工作精度不高的问题，没有实质上解决光纤陀螺在光纤环有效直径增加、光纤长度提高的情况下，其单条纹工作区间减小的问题。因此，对于光纤陀螺在单条纹工作区间减小，在大量级振动、冲击条件下更容易产生跨条纹现象的问题，需要提出一种更有效的解决办法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS修正高精度三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法。本发明技术方案的方法，针对目前光纤陀螺跨条纹输出的情况，在现有光纤陀螺的基础上增加了一只MEMS陀螺，通过MEMS陀螺对光纤陀螺的输出数据进行修正，使得光纤陀螺可以正确响应载体角速率输出。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其特征在于，包括

S1利用MEMS芯片采集MEMS陀螺分别对应光纤陀螺三个轴向的原始输出参数，以使MEMS陀螺采集到的陀螺数据与光纤陀螺的测量轴相对应；

S2对MEMS陀螺的原始输出参数进行误差补偿，然后将MEMS陀螺数据转换到光纤陀螺坐标系中，获得经过安装误差补偿的MEMS陀螺数据；

S4根据光纤陀螺的工作条纹级数，设定光纤陀螺的初始修正值；

S5根据采集到的光纤陀螺数据、MEMS陀螺数据和/或初始修正值，获取光纤陀螺修正数据与MEMS陀螺数据的参数差值；

S6利用参数差值对条纹调整级数进行判断；若其未超出条纹调整级数的判断范围，则根据对应的条纹调整级数更新修正值，获得光纤陀螺修正值，进入步骤S8；否则进入步骤S7；

S7将当前修正值置零，进入步骤S5；

S8利用光纤陀螺修正值对光纤陀螺数据进行修正并输出。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S2中包括，

S21利用MEMS陀螺的安装误差补偿矩阵对MEMS陀螺的原始输出参数进行补偿；

S22根据MEMS陀螺固有零偏值对MEMS陀螺的原始输出参数进行补偿。

作为本发明技术方案的一个优选，光纤陀螺修正值优选通过当前判断条纹级数、当前判断条纹级数需要调整的级数变化量以及光纤陀螺单级条纹对应的角速度跨度获得。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS陀螺优选同时敏感三个方向角速度信息，所述MEMS陀螺的信息更新频率优选不低于光纤陀螺数据更新频率。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS陀螺数据优选MEMS陀螺的角速度在光纤陀螺坐标系下对应的角速度。

按照本发明的一个方面，提供了一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，包括MEMS芯片和光纤陀螺，其特征在于，所述MEMS芯片与光纤陀螺的轴向平行安装固定。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS芯片中测量精度最高的轴优选与光纤陀螺中最需要补偿的轴平行安装固定。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS芯片的轴安装方向可以与光纤陀螺的轴同向或反向。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS陀螺优选同时敏感三个方向角速度信息，所述MEMS陀螺的信息更新频率优选不低于光纤陀螺数据更新频率。

作为本发明技术方案的一个优选，MEMS陀螺数据优选MEMS陀螺的角速度在光纤陀螺坐标系下对应的角速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案的方法，在现有高精度三轴光纤陀螺基础上，在硬件上增加一只三轴MEMS陀螺芯片即可实现对三轴光纤陀螺跨条纹输出的修正，对原方案改动较小，利于实现。

2)本发明技术方案的方法，首先对MEMS陀螺进行安装误差补偿，获取准确度较高的MEMS输出参数，以避免其他轴向输入角速度因安装误差融合到敏感轴，导致判断出错，进一步提高了MEMS修正的准确性。

3)本发明技术方案的方法，MEMS陀螺的三个轴向分别与光纤陀螺的三个轴向平行，且MEMS测量精度最高的一个轴与光纤陀螺最需要补偿的一个轴平行，进一步提高了光纤陀螺的补偿精度。

4)本发明技术方案的方法，首先设置光纤陀螺的初始工作条纹和初始修正值，对光纤陀螺采集到的原始数据进行修正，获取其与经过修正的MEMS陀螺数据的差值，利用差值结合光纤陀螺的条纹级数调整判断依据，确定光纤陀螺是否工作在正确的范围内，从而获取更为准确的修正值。

附图说明

图1是本发明实施例中MEMS陀螺芯片修正光纤陀螺跨条纹输出方案流程图；

图2是本发明实施例中光纤陀螺X轴以60°/s转动时MEMS陀螺各个轴向补偿前后输出比较图；

其中，图2(a)为光纤陀螺X轴以60°/s转动时MEMS陀螺X轴补偿前后输出，图2(b)为光纤陀螺X轴以60°/s转动时MEMS陀螺Y轴补偿前后输出，图2(c)为光纤陀螺X轴以60°/s转动时MEMS陀螺Z轴补偿前后输出。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本发明实施例中提出了一种基于MEMS修正高精度三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法。其在现有的三轴光纤陀螺的基础上，增加了一只三轴MEMS陀螺芯片，用以实现对三轴光纤陀螺跨条纹输出的修正。使用MEMS对光纤陀螺的跨条纹输出问题进行修正时，MEMS陀螺芯片中的三个正交轴需要与光纤陀螺的三个正交轴相互配合。对于MEMS陀螺来说，其三个正交轴中具有一个轴向具有相对较高的测量精确度，本实施例中该精度较高的轴优选对应配合光纤陀螺上跨条纹输出问题最为严重的轴向进行测量。优选的，本实施例中在安装时，选择MEMS陀螺最好的(测量精度最高的)轴向，将这个轴平行于光纤陀螺上最需要进行输出补偿的轴进行安装。进一步地，MEMS陀螺芯片的另外两个轴向优选与光纤陀螺的另外两个轴向平行设置，方向可以一致或相反。

本实施例的方法，首先对MEMS陀螺进行补偿，然后实时比较MEMS陀螺和光纤陀螺的数据，通过预先设计好的算法对光纤陀螺条纹级数进行实时修正。本实施例的方法，能够解决恶劣动态环境下由光纤陀螺固有特性引起的跨条纹问题，保证光纤陀螺输出的可靠性，具有较大的现实意义。也就是说，本实施例在原有三轴光纤陀螺基础上，仅在硬件上增加一只三轴MEMS陀螺芯片即可实现对三轴光纤陀螺跨条纹输出的修正。其首先对MEMS陀螺进行补偿，再通过实时比较MEMS陀螺和光纤陀螺数据，利用补偿算法对光纤陀螺条纹级数实时修正。作为本实施例的优选，增加的MEMS陀螺芯片优选为三轴陀螺芯片，可以同时敏感X/Y/Z三个方向的角速度信息，且其信息更新频率优选不低于光纤陀螺数据更新频率。其中，MEMS陀螺芯片三个正交方向分别对应光纤陀螺的三个正交方向，例如，将MEMS陀螺芯片与光纤陀螺对应的轴向命名为X/Y/Z轴。

采集获得MEMS陀螺的输出信号后，需要对其进行安装误差补偿，并解算出MEMS陀螺输出的角速度在光纤陀螺坐标系下对应的角速度。然后利用MEMS在光纤陀螺坐标系中的角速度对光纤陀螺的输出信号进行进一步的修正。

下面结合具体的数据对本实施例中利用MEMS对高精度三轴光纤陀螺跨条纹输出进行修正的过程予以说明，其包括下列步骤：

(1)利用MEMS芯片采集MEMS陀螺三个轴向的原始输出参数Ω′_{mems_X}、Ω′_{mems_Y}和Ω′_{mems_Z}；

(2)对MEMS的原始输出参数进行安装误差补偿，获得MEMS陀螺数据，本实施例中的安装误差补偿模型优选如下：

其中，为经过安装误差补偿的MEMS陀螺数据，为安装误差补偿矩阵，本领域技术人员可以根据所使用的光纤陀螺和MEMS陀螺芯片的类别具体确定；为MEMS陀螺固有零偏值，本实施例中优选通过标定获得。

(3)对经过安装误差补偿的MEMS陀螺数据进行标度因数转换，将其乘以光纤陀螺的标度因数与MEMS陀螺标度因数之比，得到Ω_mems(X\Y\Z轴)。由于MEMS陀螺芯片的输出参数与光纤陀螺的输出参数不一定一致，因此，需要先将MEMS陀螺的输出参数转换成与光纤陀螺一致的格式，然后利用光纤陀螺的标度因数与MEMS陀螺标度因数之比获取MEMS陀螺芯片的输出参数在光纤陀螺坐标系中对应的参数值。即，本实施例中，MEMS陀螺芯片的输出参数需要转换到光纤陀螺坐标系中后，才能用于修正光纤陀螺的输出参数。针对不同的MEMS陀螺与光纤陀螺，标度因数之比不同。

(4)对光纤陀螺采集到的数据Ω_fog，利用差值Δω＝Ω_fog+N_iΩ_2π-Ω_mems对条纹调整级数ΔN_i进行判断。其中，N_i为当前判断条纹级数，当i＝0时，N₀为初始判断条纹级数；ΔN_i为当前条纹级数N₀需要调整的级数变化量，其值可能为正数或0或负数。式中，非负整数i仅作循环迭代次数区分之用，不具有具体的符号含义。

判断时，若条纹级数没有超出判断范围，即光纤陀螺工作在合适的条纹范围内，则更新N_i+1Ω_2π，令N_i+1Ω_2π＝N_iΩ_2π+ΔN_iΩ_2π；若超出判断范围，则N_i+1Ω_2π清0，同时利用差值Δω＝Ω_fog-Ω_mems(即Δω＝Ω_fog+N_iΩ_2π-Ω_mems，此时N_iΩ_2π为0)对ΔN_i进行判断，并更新N_i+1Ω_2π。最后在光纤陀螺工作的条纹范围内获得的N_i+1Ω_2π即为光纤陀螺的修正值NΩ_2π。

其中，Ω_2π为光纤陀螺单级条纹对应的角速度跨度，对于修正值NΩ_2π，在对光纤陀螺进行修正之前，首先需要设置一个输出修正值N₀Ω_2π，当需要判定的光纤陀螺工作在m级条纹时，首先令修正值N₀Ω_2π＝-mΩ_2π，判断差值设定为为Δω＝Ω_fog+N_iΩ_2π-Ω_mems，i为非负整数。

由于跨条纹输出的结果不是任意的，其与真实输出值存在NΩ_2π，本实施例中，条纹级数调整参数ΔN_i的判断标准优选如下：

若-Ω_th＜Δω＜Ω_th，则ΔN＝0；

若Ω_th＜Δω＜Ω_2π+Ω_th，则ΔN＝-1；

若-Ω_2π-Ω_th＜Δω＜-Ω_th，则ΔN＝+1；

若Ω_2π+Ω_th＜Δω＜2Ω_2π+Ω_th，则ΔN＝-2；

若-2Ω_2π-Ω_th＜Δω＜-Ω_2π-Ω_th，则ΔN＝+2；

若2Ω_2π+Ω_th＜Δω＜3Ω_2π+Ω_th，则ΔN＝-3；

若-3Ω_2π-Ω_th＜Δω＜-2Ω_2π-Ω_th，则ΔN＝+3；

若3Ω_2π+Ω_th＜Δω＜4Ω_2π+Ω_th，则ΔN＝-4；

若-4Ω_2π-Ω_th＜Δω＜-3Ω_2π-Ω_th，则ΔN＝+4；

其中，Ω_2π为光纤陀螺单级条纹对应的角速度跨度，针对每个具体的陀螺来说，根据其物理特性(如有效直径、长度等)可以计算出来，Ω_th为设定判断阈值，一般设置为Ω_π，即Ω_2π值的一半。

需要指出的是，每个光纤陀螺的工作范围有所差别，其对应的判断标准也不一样。上述判断标准仅仅是针对一个具体的实施例进行的，不构成对本发明技术方案的限定。

(5)输出修正后的光纤陀螺输出参数为Ω_out＝Ω_fog+NΩ_2π。也就是说，利用差值Δω可以判断条纹调整级数ΔN_i，若该条纹调整级数在判断范围内，则根据ΔN_i对修正值N_i+1Ω_2π进行更新，即令N_i+1Ω_2π＝N_iΩ_2π+ΔN_iΩ_2π，确定光纤陀螺修正值，然后对光纤陀螺输出参数进行修正；若超出判断范围，则将修正值N_iΩ_2π清0，并利用差值Δω＝Ω_fog-Ω_mems(N_iΩ_2π为0)对条纹调整级数ΔN_i进行判断，然后再次更新N_i+1Ω_2π，然后确定光纤陀螺修正值NΩ_2π。

最后，光纤陀螺经过MEMS陀螺修正后的实际输出值为Ω_out＝Ω_fog+NΩ_2π，其中NΩ_2π即为最后确定的修正值，该修正值被用于对光纤陀螺进行修正。

下面结合说明书附图对本实施例的方法做进一步的详细说明。本实施例中提供了一种基于MEMS修正高精度三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，以三轴陀螺中的任一轴为例，光纤陀螺及MEMS陀螺数据处理流程如图1所示。

本实施例中首先采集MEMS陀螺数据，对其进行安装误差补偿及标度因数对齐，待光纤陀螺的数据Ω_fog来临时，对差值Δω＝Ω_fog+NΩ_2π-Ω_mems进行判断(基于该陀螺特别设置的判断标准)，根据判断的结果更新NΩ_2π；若上述差值超出判断范围，则NΩ_2π清0，根据差值Δω＝Ω_fog-Ω_mems对条纹调整级数ΔN进行判断，并更新NΩ_2π(即上述令N_i+1Ω_2π＝N_iΩ_2π+ΔN_iΩ_2π)，作为光纤陀螺的光纤陀螺修正值，最后输出修正后的Ω_fog输出，即为Ω_out＝Ω_fog+NΩ_2π。

本实施例中采用的三轴光纤陀螺，其Y轴陀螺的物理量程Ω_π为-37.8°/s～37.8°/s。当光纤陀螺X轴以+60°/s角速率旋转，MEMS陀螺的各个轴向补偿前后的输出参数如图2(a)～图2(c)所示。对MEMS陀螺Y轴的输出进行分析，若不对MEMS陀螺输出进行补偿，则Y轴有3°/s左右的输出，当X轴输入角速度为220°/s时，则Y轴有11°/s左右的输出，相对Ω_π＝37.8°/s是一个较大的角速度偏置，容易导致条纹判断出错。对MEMS陀螺进行安装误差补偿后，Y轴的输出维持在在0.15°/s附近，具有较好的补偿效果。如图2所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其特征在于，包括

S1利用MEMS芯片采集MEMS陀螺分别对应光纤陀螺三个轴向的原始输出参数，以使MEMS陀螺采集到的陀螺数据与光纤陀螺的测量轴相对应；

S2对MEMS陀螺的原始输出参数进行误差补偿，然后将MEMS陀螺数据转换到光纤陀螺坐标系中，获得经过安装误差补偿的MEMS陀螺数据；

S4根据光纤陀螺的工作条纹级数，设定光纤陀螺的初始修正值；

S5根据采集到的光纤陀螺数据、MEMS陀螺数据和/或初始修正值，获取光纤陀螺修正数据与MEMS陀螺数据的参数差值；

S6利用参数差值对条纹调整级数进行判断；若其未超出条纹调整级数的判断范围，则根据对应的条纹调整级数更新修正值，获得光纤陀螺修正值，进入步骤S8；否则进入步骤S7；

S7将当前修正值置零，进入步骤S5；

S8利用光纤陀螺修正值对光纤陀螺数据进行修正并输出。

2.根据权利要求1所述的一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其中，所述步骤S2中包括，

S21利用MEMS陀螺的安装误差补偿矩阵对MEMS陀螺的原始输出参数进行补偿；

S22根据MEMS陀螺固有零偏值对MEMS陀螺的原始输出参数进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其中，所述光纤陀螺修正值优选通过当前判断条纹级数、当前判断条纹级数需要调整的级数变化量以及光纤陀螺单级条纹对应的角速度跨度获得。

4.根据权利要求1～3所述的一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其中，所述MEMS陀螺优选同时敏感三个方向角速度信息，所述MEMS陀螺的信息更新频率优选不低于光纤陀螺数据更新频率。

5.根据权利要求1～4所述的一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的方法，其中，所述MEMS陀螺数据优选MEMS陀螺的角速度在光纤陀螺坐标系下对应的角速度。

6.一种利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，包括MEMS芯片和光纤陀螺，其特征在于，所述MEMS芯片与光纤陀螺的轴向平行安装固定。

7.根据权利要求6所述的利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，其中，所述MEMS芯片中测量精度最高的轴优选与光纤陀螺中最需要补偿的轴平行安装固定。

8.根据权利要求6或7所述的利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，其中，所述MEMS芯片的轴安装方向可以与光纤陀螺的轴同向或反向。

9.根据权利要求6或7所述的利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，其中，所述MEMS陀螺优选同时敏感三个方向角速度信息，所述MEMS陀螺的信息更新频率优选不低于光纤陀螺数据更新频率。

10.根据权利要求6或7所述的利用MEMS修正三轴光纤陀螺跨条纹输出的装置，其中，MEMS陀螺数据优选MEMS陀螺的角速度在光纤陀螺坐标系下对应的角速度。