CN114526637A

CN114526637A - 一种高性价比的陀螺仪模块及数据融合方法

Info

Publication number: CN114526637A
Application number: CN202210118673.1A
Authority: CN
Inventors: 周满; 张弛; 杨海; 戴晓燕; 高子益; 葛雨楠; 王健; 王帅
Original assignee: Zhongtian Changguang Qingdao Equipment Technology Co ltd
Current assignee: Zhongtian Changguang Qingdao Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-05-24

Abstract

本申请公开了一种高性价比陀螺仪模块，包括电路板、电路板上设置供电接口和通讯接口，所述电路板的两面均设置有多片陀螺仪，多片陀螺仪分别对应连接在电路板的正反面上，在电路板的其中一面上设置逻辑处理器。该陀螺仪模块具有集成度高、尺寸小，成本低的特点。本申请还公开了一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法，该方法在数据处理上引入容错设计，剔除异常数据后对剩余数据进行融合处理，相比于传统的单个陀螺仪，可有效剔除异常值，容错能力也大幅提高，同时数据精度也大幅提升。同时，在一定程度上解决了陀螺仪自身存在零飘及温度漂移的问题，可以弥补温飘对数据造成的影响。

Description

一种高性价比的陀螺仪模块及数据融合方法

技术领域

本申请属于航空飞行器技术应用领域，具体涉及一种高性价比陀螺仪模块及其数据融合方法。

背景技术

导引头安装在制导武器头部，测量目标相对于制导武器的运动参数并产生制导信息的装置，作为巡飞弹的核心部件，为巡飞弹提供自主侦查、识别、跟踪服务，并提供制导所需要的视线角速度等信息，其性能直接决定了导弹的侦查效果、打击精度、毁伤效果等。

导引头主要构成包括框架结构、伺服电机、陀螺仪、角度传感器、图像探测器、控制器。陀螺仪是一种重要的惯性器件，也是惯性导航***的重要组成部分，可作为姿态传感器检测载体的姿态变化。

经过多年的探索研究，人们已经研发出了许多不同类型的微陀螺仪，并且在导引头、吊舱、无人机、数码电子等方面得到广泛应用，并取得较好的控制效果。根据使用背景的不同，***对陀螺仪的性能指标要求也不同，其中陀螺仪的精度与稳定性是衡量一个惯性导航***性能的关键指标，所以有效降低陀螺仪的噪声干扰提高其输出精度，也就等于变相地提高惯性导航***的精度，这对于导航技术来说意义重大。

通常飞控、数码电子产品等对陀螺仪指标要求较低，普通的低成本陀螺仪能满足使用要求，但对于导引头、吊舱等高精密仪器，对陀螺仪的性能指标具有较高的要求，所选用的陀螺仪成本较高、体积较大，严重制约产品的低成本化、轻量化发展。因此，急需设计一种低成本、小体积的陀螺仪模块，同时具备一定的容错能力和较高的性能指标。

发明内容

本申请的目的是提供一种高性价比陀螺仪模块，解决了目前现有传统导引头的陀螺仪模块集成度低，体积大，成本高的问题。

为解决上述问题，本申请所采用的技术方案是：

一种高性价比陀螺仪模块，包括电路板、电路板上设置供电接口和通讯接口，所述通讯接口包括SPI接口和ICC接口，分别对应连接在电路板上。所述电路板的两面均设置有多片陀螺仪，所述电路板两面设置的多片陀螺仪均采用平面布局分布。多片陀螺仪分别对应连接在电路板的正反面上，在电路板的其中一面上设置逻辑处理器。

在一些实施例中，所述电路板其中一个面上设置的多片陀螺仪，以设置在这个面上其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后焊接在电路板上；所述电路板另外一个面上设置的多片陀螺仪同样以其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后连接在电路板上。

另外，本申请还提供了一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法，其方法如下：定义陀螺模块的X、Y、Z三个轴的方向，在逻辑处理器中设置读取周期，根据每个陀螺仪的焊接方向，通过逻辑处理器定时完成多片陀螺仪x轴、y轴、z轴三轴多组对应数据的读取，将采集到的多组数据分别整理到对应的X轴、Y轴、Z轴数据集合中；

对上述读取的多组x轴、y轴、z轴的三轴数据进行整理，重新定义x轴、y轴、z轴三轴向数据集合；

对重新定义的三轴数据进行整理，剔除异常数据，剔除异常数据后对剩余数据做均值处理，即得到X,Y,Z三轴角速度ω_x,ω_y,ω_z值。

上述步骤中，剔除异常数据的方法采用3δ准则，对于大于μ+3σ或小于μ—3σ的数据值作为异常数据，予以剔除，若剔除后数据较为接近，则将大于μ+σ或小于μ—σ的数据值作为异常值剔除，其中，μ与σ分别表示正态总体的数学期望和标准差。

申请的有益效果是：

1.本申请一种高性价比陀螺仪模块上的陀螺仪模块单独设计，集成度高、尺寸小，同时留有供电、SPI、IIC接口，方便数据快速读取。本申请中陀螺仪模块采用多片低成本陀螺仪组合结构，总成本远低于同性能指标的陀螺仪，能达安装设备对于陀螺仪模块的使用要求，具有较高的性价比。

2.本申请一种高性价比陀螺仪模块由多片三轴陀螺仪组成，多片三轴陀螺仪采用平面布局，焊接安装时，陀螺仪在电路板的焊接面上以其中一个为基准，依次旋转90°贴于电路板正反两面，相比于目前的三角体及正方体布局方式，缩小了体积，降低了生产加工的复杂度，具有安装使用方便，生产效率高的特点。

3.本申请一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法中，在数据处理上引入容错设计，剔除异常数据后对剩余数据进行融合处理，相比于传统的单个陀螺仪，可有效剔除异常值，容错能力也大幅提高，同时数据精度也大幅提升。

附图说明

图1是本申请中陀螺仪模块正面布局图；

图2是本申请中陀螺仪模块反面布局图；

图3是本中采集的陀螺数据正态分布图。

附图标记说明：

图中：1、电路板；2、供电接口；3、SPI接口；4、ICC接口；5、陀螺仪；6、逻辑处理器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1、图2所示，本申请公开了一种高性价比陀螺仪模块，包括电路板1，电路板 1上设置有供电接口2以及用于快速读取陀螺仪数据的SPI接口3和ICC接口4，供电接口 2、SPI接口3、ICC接口4对应连接在电路板2上。

在电路板2的两面分别设置有四片陀螺仪5，两面上设置的四片陀螺仪5按照平面布局的方式分布。每个面上的四片陀螺仪5对应焊接在电路板1的正反面上，在电路板1的其中一面上设置逻辑处理器6，用于获取八片陀螺仪的数据信息。

电路板1其中一个面上设置的四片陀螺仪5以设置在这个面上的其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后焊接在电路板1上；电路板1另外一个面上设置的四片陀螺仪5同样以其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后连接在电路板1上。

本申请中，陀螺仪模块在结构设计上采用八片低成本陀螺仪组合式结构代替了目前的单片高成本陀螺仪，八片陀螺仪的总成本远低于目前常用的MEMS陀螺、光纤陀螺等同性能指标的陀螺仪。

另外，本申请中陀螺仪的分布与目前所采用三角体、正方体等布局方式不同，八片陀螺仪在布局上采用了平面布局的方式，八片陀螺仪分为两组对应分布在电路板的正反两面上，每一面上陀螺仪均以其中一个为基准，依次旋转90°焊接于电路板上，整个陀螺仪模块的总体尺寸仅为15mm×18mm，相比于目前采用的的三角体及正方体布局方式，体积缩小，降低了生产加工的复杂度，且能达安装设备对于陀螺仪模块的使用要求，具有较高的性价比。

本申请还公开一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法，其具体方法如下：

定义陀螺模块的X、Y、Z三个轴的方向，在逻辑处理器中设置读取周期，根据每个陀螺仪的焊接方向，通过逻辑处理器定时2ms对八陀螺仪x轴、y轴、z轴三轴多组对应数据进行读取读取，读取的x轴向数据分别为x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇、x₈，读取的y轴向数据分别为y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、y₆、y₇、y₈，读取的z轴向数据分别为z₁、z₂、z₃、z₄、z₅、 z₆、z₇、z₈，将采集到的24组数据分别整理到对应的X轴、Y轴、Z轴数据集合中；即：X 轴向数据集为{x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇、x₈}，Y轴向数据集为{y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、 y₆、y₇、y₈}，Z轴向数据集为{z₁、z₂、z₃、z₄、z₅、z₆、z₇、z₈}，对上述读取的24组X 轴、Y轴、Z轴的三轴向数据进行整理。

重新定义X轴、Y轴、Z轴三轴向数据集合；X轴向数据集为{x₁、y₂、-x₃、-y₄、-x₅、-y₆、x₇、y₈}，Y轴向数据集为{y₁、-x₂、-y₃、x₄、y₅、-x₆、-y₇、x₈}， Z轴向数据集为{z₁、z₂、z₃、z₄、-z₅、-z₆、-z₇、-z₈}。

重新定义的X轴向数据集、Y轴向数据集，Z轴向数据集，X轴和Y轴的轴向数据由两个正向X轴，两个负向X轴，两个正向Y轴，两个负向Y轴组合而成，因为陀螺仪自身存在零飘及温度漂移的问题，这种组合方式，一定程度上可以弥补温飘造成的影响，其温飘补偿原理为：

随着温度变化，陀螺仪数据会产生漂移，漂移值设定为Δω，则采集陀螺仪数据为(x+Δω)，则对采集到的数据集进行整理，有X轴向数据集为{x₁+Δω、y₂+Δω_y、-(x₃+Δω)、 -(y₄+Δω_y)、-(x₅+Δω)、-(y₆+Δω_y)、x₇+Δω、y₈+Δω_y}，Y轴向数据集为{y₁+ Δω_y、-(x₂++Δω)、-(y₃+Δω_y)、x₄+Δω、y₅+Δω_y、-(x₆+Δω)、-(y₇+Δω_y)、 x₈+Δω}，Z轴向数据集为{z₁+Δω_z、z₂+Δω_z、z₃+Δω_z、z₄+Δω_z、-(z₅+Δω_z)、- (z₆+Δω_z)、-(z₇+Δω_z)、-(z₈+Δω_z)}。

对X轴向数据集求和，有，

从上式可看出，陀螺仪数据中已经没有Δω项，即采用此种布局方式，求得的陀螺仪数据可以较好地消除陀螺仪温漂的影响。

同理能得到Y轴和Z轴采用此种布局方式，也能消除掉温漂Δω_y与Δω_z项。

对重新定义的三轴数据内数据进行整理，剔除异常数据，剔除异常数据的方法采用3 δ准则。如图3所示，对于大于μ+3σ或小于μ-3σ的数据值作为异常数据，予以剔除，若剔除后数据较为接近，则将大于μ+σ或小于μ-σ的数据值作为异常值剔除，其中，μ与σ分别表示正态总体的数学期望和标准差。

剔除异常数据后对剩余数据做均值处理，即得到X,Y,Z三轴角速度ω_x,ω_y,ω_z值。

通过上述方法，得到的陀螺仪角速度精度相比单个陀螺仪精度提高得到大幅提升，且性能稳定、容错性好。

以上所述只是本申请的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种高性价比陀螺仪模块，包括电路板（1）,电路板（1）上设置供电接口（2）和通讯接口，电路板（1）的两面均设置有多片陀螺仪（5），多片陀螺仪（5）分别对应连接在电路板（1）的正反面上，在电路板（1）的其中一面上设置逻辑处理器（6）。

2.根据权利要求1所述的一种高性价比陀螺仪模块，其特征在于，所述电路板（1）其中一个面上设置的多片陀螺仪（5），以设置在这个面上其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后焊接在电路板（1）上；所述电路板（1）另外一个面上设置的多片陀螺仪（5）同样以其中一片陀螺仪为基准，依次旋转90°后连接在电路板（1）上。

3.根据权利要求1所述的一种高性价比陀螺仪模块，其特征在于，电路板（1）两面设置的多片陀螺仪（5）均采用平面布局分布。

4.根据权利要求1所述的一种高性价比陀螺仪模块，其特征在于，所述通讯接口包括SPI接口（3）和ICC接口（4），分别对应连接在电路板（1）上。

5.一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法，其特征在于，所述数据融合方法如下：

定义陀螺模块的X、Y、Z三个轴的方向，在逻辑处理器中设置读取周期，根据每个陀螺仪的焊接方向，通过逻辑处理器定时完成多片陀螺仪x轴、y轴、z轴三轴多组对应数据的读取，将采集到的多组数据分别整理到对应的X轴、Y轴、Z轴数据集合中；

对重新定义的三轴数据进行整理，剔除异常数据，剔除异常数据后对剩余数据做均值处理，即得到X,Y,Z三轴角速度。

6.根据权利要求5所述的一种高性价比陀螺仪模块的数据融合方法，其特征在于，剔除异常数据的方法采用3δ准则，对于大于μ＋3σ或小于μ—3σ的数据值作为异常数据，予以剔除，若剔除后数据较为接近，则将大于μ＋σ或小于μ—σ的数据值作为异常值剔除，其中，μ与σ分别表示正态总体的数学期望和标准差。