孫 亮,余震虹,陳 浩,謝楓鋒
(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇省傳感器工程技術(shù)中心,江蘇無(wú)錫 214122)
目前,F(xiàn)OG廣泛應(yīng)用在各種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中[1]。標(biāo)度因數(shù)和零偏是FOG的重要性能參數(shù)之一,其誤差直接影響著陀螺的精度,由于構(gòu)成FOG的主要器件,如光纖線(xiàn)圈、光源、耦合器等對(duì)溫度較為敏感,當(dāng)工作溫度發(fā)生變化時(shí),F(xiàn)OG輸出就會(huì)帶進(jìn)非互易相位差,這種相位差就會(huì)導(dǎo)致FOG的標(biāo)度因數(shù)和零偏誤差。此外,輸入角速率信號(hào)的大小變化導(dǎo)致增益發(fā)生變化,陀螺的輸出也具有速率依賴(lài)性,相比于開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀,閉環(huán)數(shù)字化已經(jīng)使得FOG的標(biāo)度因數(shù)和零偏穩(wěn)定性有了大幅的提高,但是在對(duì)FOG的精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,就應(yīng)進(jìn)行溫度和速率誤差補(bǔ)償[2]。
針對(duì)以上情況,文獻(xiàn)[2-3]提到采用四態(tài)優(yōu)化調(diào)制、雙重反饋以及采用性能更好的光學(xué)電子器件等方法,然而此類(lèi)方法不僅使得陀螺系統(tǒng)更加復(fù)雜,而且會(huì)增加生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[4-5]已經(jīng)提到使用建模補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)開(kāi)環(huán)FOG進(jìn)行校正,并且取得了較好的結(jié)果,然而對(duì)閉環(huán)數(shù)字化的FOG,還沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)閉環(huán)光纖陀螺進(jìn)行建模并且驗(yàn)證建模補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/p>
1.1測(cè)試系統(tǒng)搭建
閉環(huán)光纖陀螺儀(IFOG)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)包括硬件和測(cè)試軟件2部分,硬件部分包括速率轉(zhuǎn)臺(tái)、高低溫試驗(yàn)箱,數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)等,多路選擇器可以實(shí)現(xiàn)陀螺的分時(shí)采集進(jìn)行多臺(tái)同時(shí)測(cè)試,以提高設(shè)備的利用效率,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。軟件部分控制著測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)的采集與處理,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。
1.2理論方法
當(dāng)前,F(xiàn)OG模型主要使用式(1)的一次模型:
D=B0+Kω+ε
(1)
式中:B0為陀螺零偏;K為陀螺的標(biāo)度因數(shù);ω為輸入角速度;ε為隨機(jī)噪聲。
和傳統(tǒng)的陀螺相比,光纖陀螺的零偏不僅對(duì)溫度敏感,還與溫度的變化率有關(guān),光纖陀螺零偏溫度重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證了溫度與光纖陀螺零偏之間確實(shí)存在確定的關(guān)系[4],因此能夠建立零偏與溫度之間的誤差模型,數(shù)學(xué)模型如式(2):
(2)
在溫度變化率太大的情況下,光纖陀螺中的光電子器件的可靠性會(huì)降低,所以FOG實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度變化率不宜過(guò)大,一般FOG也有一定的熱緩沖防護(hù),因此溫度變化率的影響忽略。
和零偏相比,中低精度FOG的標(biāo)度因數(shù)對(duì)溫度變化率相對(duì)不敏感,一般不予考慮,在模型實(shí)際應(yīng)用時(shí),標(biāo)度因數(shù)K可以具體表示為:
K=K0·Kω·KT
(3)
式中:Kω為與輸入角速度有關(guān)的標(biāo)度因數(shù)分量;KT為與溫度有關(guān)的部分。
Kω、KT的模型分見(jiàn)式(4)和式(5):
(4)
(5)
式中:Kω0、KT0分別為與速率、溫度無(wú)關(guān)的標(biāo)度因數(shù)部分;Kωi、KTi分別為陀螺標(biāo)度因數(shù)的溫度誤差系數(shù);ω、T為陀螺對(duì)應(yīng)的速率、溫度點(diǎn);n、m為誤差的階數(shù),對(duì)于中高精度光纖陀螺,通常情況下,n、m分別取2和3即可。
2.1零偏試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集
試驗(yàn)選用市場(chǎng)上某型號(hào)的光纖陀螺,儀器參數(shù)如表1,首先根據(jù)光纖的性能指標(biāo),選取溫度范圍為-20~50 ℃。采樣溫度點(diǎn)分別為-20 ℃,-10 ℃,0 ℃,10 ℃,20 ℃,30 ℃,40 ℃,50 ℃。通過(guò)工控機(jī)設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱溫度,分別將輸入軸向上和向下,采集2組輸出值,采集時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為200 s,采樣間隔為0.5 s.為消除白噪聲和轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)噪聲,將每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值和角速度值取平均值[7-8],則零偏輸出為:
(6)
式中:Dup和Ddown分別為輸入軸向上和向下時(shí)的數(shù)字輸出。
如此可得到8個(gè)溫度點(diǎn)的8組數(shù)據(jù)。
2.2標(biāo)度因數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
陀螺的輸入軸指向上方,按如上的方法設(shè)定高低溫試驗(yàn)箱的每個(gè)溫度點(diǎn),待溫度穩(wěn)定,取速率點(diǎn)分別為±90 (°)/s,±80 (°)/s,±70 (°)/s,±60 (°)/s,±50 (°)/s,±40 (°)/s,±30 (°)/s,±20 (°)/s,±10 (°)/s,0 (°)/s。測(cè)試時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)先正轉(zhuǎn),靜止,再以相同的速率反轉(zhuǎn),以消除地球自轉(zhuǎn)的影響。采集和測(cè)試數(shù)據(jù)處理方式同零偏測(cè)量,8個(gè)溫度點(diǎn)和19個(gè)速率點(diǎn)一共可測(cè)試得到152組標(biāo)度因數(shù)數(shù)據(jù)。
3.1零偏建模與補(bǔ)償
試驗(yàn)按2.1完成后,得出所需數(shù)據(jù),對(duì)溫度歸一化,再對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,此時(shí)對(duì)應(yīng)的零偏-溫度模型的表達(dá)式為:
表1 試驗(yàn)用閉環(huán)光纖陀螺儀參數(shù)表
B0=-2 033.482(T/Tmax)2+8 218.946(T/Tmax)+5 123.486
(7)
為驗(yàn)證模型的正確性,研究不同溫度條件下零偏實(shí)測(cè)值和補(bǔ)償曲線(xiàn)的吻合情況如圖2所示。由圖2看出,建立的模型能夠取得較好的效果。采取上述模型,在30 ℃的環(huán)境下,進(jìn)行補(bǔ)償,將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化為角速度值,補(bǔ)償前,零偏測(cè)試的均值為0.078 22 (°)/h,而補(bǔ)償后的零偏均值為0.001 67 (°)/h。
圖2 光纖陀螺零偏的實(shí)測(cè)值與補(bǔ)償曲線(xiàn)
3.2標(biāo)度因數(shù)建模與補(bǔ)償
測(cè)量結(jié)果顯示:標(biāo)度因數(shù)受角速度輸入和溫度的變化而變化,他們的變化關(guān)系如圖3所示,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),首先在同一溫度點(diǎn)下,例如-20 ℃時(shí)分析標(biāo)度因數(shù)與角速度的非線(xiàn)性關(guān)系,采用多項(xiàng)式回歸曲線(xiàn)擬合一組與角速度相關(guān)的系數(shù)[9]。擬合結(jié)果為:
KT1=a11(ω/90)2+a12(ω/90)+a13
式中:a11=7.425 8;a12=98.136 6;a13=144 240.612 0。
同樣可以擬合-10~50 ℃下的7組系數(shù)組a21,a22,a23,…,a81,a82,a83。由于a11,a12,a13是與溫度有關(guān)的系數(shù)組,所以需要再分別擬合系數(shù)組a11,a21,…,a81,a12,a22,…a28,a13,a23,…,a83。擬合表達(dá)式如下:
K=a1(ω/90)2+a2(ω/90)+a3
(8)
式中:
a1=-1.655 945(T/50)3-1.609 079(T/50)2+
1.280 516(T/50)+8.120 919
a2=6.426 815(T/50)3+37.438 55(T/50)2-
35.165036(T/50)+78.786788
a3=-20 305.100 519(T/50)3+37 840.761 6(T/50)2-
24 570.639 5(T/50)+127 214.668 551
圖3 標(biāo)度因數(shù)-溫度、輸入曲面
為驗(yàn)證模型的補(bǔ)償效果,將30 ℃時(shí)的標(biāo)度因數(shù)實(shí)測(cè)值與補(bǔ)償曲線(xiàn)模型進(jìn)行比較,如圖4所示,然后在角速率輸入維持在20 (°)/s時(shí),改變溫度,比較實(shí)測(cè)值與模型見(jiàn)圖5??梢钥闯瞿P团c實(shí)測(cè)值相吻合。
圖4 30 ℃時(shí)實(shí)測(cè)值與模型曲線(xiàn)
圖5 輸入20 (°)/s時(shí)實(shí)測(cè)值與模型曲線(xiàn)
3.3綜合補(bǔ)償
將式(7)、式(8)帶入式(1),便可得到FOG的綜合補(bǔ)償模型,分別取10 ℃和50 ℃條件下的輸入為5 (°)/s和80 (°)/s進(jìn)行綜合補(bǔ)償,補(bǔ)償前后的測(cè)試輸出分別如圖6(a)~圖6(d)所示。采用平均滑動(dòng)濾波后,對(duì)數(shù)字信號(hào)量化分析,具體結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),F(xiàn)OG的測(cè)試精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),進(jìn)一步說(shuō)明了模型能夠很好地反應(yīng)FOG的溫度輸入誤差特性,實(shí)驗(yàn)表明在小輸入、大溫度條件下,該模型的補(bǔ)償效果更加顯著。
基于搭建好的光纖陀螺儀的測(cè)試平臺(tái),在全溫全速率范圍內(nèi),測(cè)量IFOG的零偏和標(biāo)度因數(shù),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析建立了IFOG的零偏溫度模型和標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性模型,采用建立好的模型進(jìn)行綜合補(bǔ)償,使得陀螺的精度得到明顯的提高,驗(yàn)證了模型能夠很好地反應(yīng)IFOG的非線(xiàn)性特性。這種建模補(bǔ)償?shù)姆椒?,不僅不需要復(fù)雜的器件,而且補(bǔ)償?shù)木雀?、?shí)時(shí)性好,具有良好的工程參考價(jià)值。
(a)10 ℃、5 (°)/s
(b)50 ℃、5 (°)/s
(c)10 ℃、80 (°)/s
(d)10 ℃、80 (°)/s
表2 補(bǔ)償前后測(cè)試精度對(duì)比表
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