一种低成本陀螺仪轴角测量方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本陀螺仪轴角测量方法，包括下述步骤：步骤S1、同步采集激励信号与各感应信号；步骤S2、准确求解各感应信号的幅值与相位，并比较它们与激励信号的相位差，以便确定与θ相关的幅值量的符号；步骤S3、确定信号幅值与旋转角度之间的关系模型；步骤S4、融合粗机测角的唯一性与精机测角的灵敏性，在考虑粗机测角最大误差的前提下，得出由粗机确定范围、精机决定精度的旋转角度。本发明专利技术以苏制的A

【技术实现步骤摘要】
一种低成本陀螺仪轴角测量方法


[0001]本专利技术属于陀螺仪轴角测量
，具体涉及一种低成本陀螺仪轴角测量方法。

技术介绍

[0002]目前，飞机上的定向陀螺仪轴角测量均采用自整角机和旋转变压器。当陀螺仪基座随飞机转向时，自整角机和旋转变压器定子绕组会产生感应电动势，从而将机械转角转变为模拟信号。如何从模拟量中解算机械转角成为研究热点。
[0003]基于自整角机和旋转变压器的轴角解调方法可以分为硬件解调和软件解调。最典型的硬件解调体现在国外研发SDC/RDC角度数字转换模块，由于硬件的局限性，这种方法成本高、功能单一、灵活性差。目前采用市场上现有SDC/RDC模块进行轴角解算，不同之处主要体现在外围电路、数据传输、结果显示方法不同，均具有SDC/RDC的缺点。对于使用压控振荡器、数模转换器和查找表(LUT)进行轴角解算的硬件解调方法，使用，不仅成本高并且误差大。软件解调虽然具有灵活性大，集成度高的特点。但通过神经网络算法对采样数据进行轴角解算，不足在于容易受噪声干扰，实时性差。以虚拟仪器为数据处理平台的PC-DAQ结构方案，yinci设计了数据采集卡，测量精度较高，不足在于成本高、体积也大。运用过零检测与累加技术实现累加峰值采样的方法，峰值点误差大、不具备抗相移能力的问题，但该系统的实时性较差。
[0004]鉴于以上各方法的优缺点，这里提出一种基于STM32单片机的嵌入式系统，运用直接数字拟合的解调算法，实现高精度角度测量。该方法以苏制的A-3N1170517陀螺仪轴角测量系统为研究对象，直接采集该系统上自整角机和旋转变压器定子绕组上的输出信号，并应用设计了解调算法直接给出轴角量。

技术实现思路

[0005]为解决上述已知技术的各种问题，本专利技术提出了一种低成本陀螺仪轴角测量方法，以苏制的A-3N1170517陀螺仪轴角测量系统为研究对象，直接采集该系统上自整角机和旋转变压器定子绕组上的输出信号，并应用设计了解调算法直接给出轴角量，测量精度高、鲁棒性强、结构简单、成本低，具有非常好的实时性。
[0006]为进一步实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种低成本陀螺仪轴角测量方法，包括下述步骤：
[0007]步骤S1、同步采集激励信号与各感应信号；
[0008]步骤S2、准确求解各感应信号的幅值与相位，并比较它们与激励信号的相位差，以便确定与θ相关的幅值量的符号；
[0009]步骤S3、确定信号幅值与旋转角度之间的关系模型；
[0010]步骤S4、融合粗机测角的唯一性与精机测角的灵敏性，在考虑粗机测角最大误差的前提下，得出由粗机确定范围、精机决定精度的旋转角度。
[0011]作为上述技术方案的改进，所述步骤S1包括：
[0012]步骤S11、信号的合理变化，变化到0-2.5V范围内；0-2.5V是信号的采集范围，而实际的信号不在这个范围之内，因此需要通过电路的线性转换，把实际信号转化到采集范围之内，它是信号能够被正确采集的前提；
[0013]步骤S12、采集频率与采集精度的设计与确定，即采样速度与ADC转换位数；适当的采集频率与采集精度既保证每点的采集有足够的采样时间，也为后期的信号拟合处理算法的提供精度保障。
[0014]信号频率均为400HZ，采集频率设计为20k，即采样周期50us。因此每个信号周期采样50个点。在总采样时长50ms的条件下，共采集20个周期的信号，总采样点数为1000。
[0015]ADC的转换位数选用12位。
[0016]步骤S13、包括激励信号的8个信号的同步或准同步采集；
[0017]将8个信号分成V1、V2、V3与V5、V4、V3与V
R1
、V
R2
、V
R3
三组，利用STM32内部的三个ADC模块进行组内同步采集，组间通过扫描方式实现准同步采集；其中V3在不同组上被重复采集。
[0018]作为上述技术方案的改进，所述步骤S2包括：
[0019]步骤S21、感应信号与轴角之间的关系：
[0020]通过采样信号，获取轴角大小，首先要找到感应信号与轴角之间的关系；式(1)表达了感应信号与粗机测量角度之间的关系：
[0021][0022]为了提高测量精度，需要尽量消除电源与空间电磁干扰噪声的影响，考虑到同一时刻，对各信号干扰源相同，可以将(1)式中的3个信号相互作如下的差分运算来降低干扰噪声的影响：
[0023][0024]令故有
[0025][0026]步骤S22、最小二乘正弦拟合求解幅值与相位差：
[0027]从式(5)中，可以看出角度的大小可以由A1、A2、A3决定，因此它的计算精度也最终决定于A1、A2、A3的计算精度，这也是轴角数字化解调的关键；
[0028]利用对正弦信号的最小二乘拟合方法，分别对差分后的S1、S2、S3和参考信号V
R1
进行正弦拟合，求出与公式(5)中的参数A1、A2、A3相关的量，满足误差平方和最小的原则，理论上是保证了所求解的A1、A2、A3具有最高的精度；
[0029]以信号S1为例，设正弦函数的模型为：
[0030][0031]其中，故有
[0032][0033]根据最小二乘原理有：
[0034]ξ(a，b，c)＝∑[x
i
(a cos 2πft
i
+b sin 2πft
i
+c)]2＝Min
ꢀꢀꢀ
(7)
[0035]令α
i-cos 2πft
i
，β
i
＝sin 2πft
i
，这里x
i
代表S1信号的离散采样数据，f＝400代表被采样信号的频率，t
i
＝5
×
10-6
·
i，i＝0-999分别代表采样时刻与采样点数。
[0036]对公式(7)进行偏导求解，得到如下的公式(8)，
[0037]B
·
S＝Y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0038]其中
[0039]由公式(8)即可求得S1信号的2个重要参数a和b，记为a1，b1；
[0040]同理，通过计算可以得到关于V
R1
，S2，S3的重要参数，分别记为a0、b0、a2、b2、a3、b3；
[0041]通过实际采样和与参考信号V
R1
的数据比对分析，可以进一步得知A1、A2、A3的具体值；理论上S1、S2、S3与V
R1
之间的相位关系只存在同相或反相的关系，但由于实际电路中线圈电阻、杂散电容等其他耦合因素，导致相位关系并非如此。深入的实验发现，特别是当信号幅值很小时，差分信号S
i
与激励信号之间相差接近π/2，而此时实际的幅值应为0。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本陀螺仪轴角测量方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤S1、同步采集激励信号与各感应信号；步骤S2、准确求解各感应信号的幅值与相位，并比较它们与激励信号的相位差，以便确定与θ相关的幅值量的符号；步骤S3、确定信号幅值与旋转角度之间的关系模型；步骤S4、融合粗机测角的唯一性与精机测角的灵敏性，在考虑粗机测角最大误差的前提下，得出由粗机确定范围、精机决定精度的旋转角度。2.根据权利要求1所述的低成本陀螺仪轴角测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S11、信号的合理变化，变化到0-2.5V范围内；步骤S12、采集频率与采集精度的设计与确定，即采样速度与ADC转换位数；信号频率均为400HZ，每个周期采样50个点，采样周期50us，采集时长50ms，每个通道数据量为1000个，共20个周期；ADC的转换位数选用12位；步骤S13、包括激励信号的8个信号的同步或准同步采集；将8个信号分成V1、V2、V3与V5、V4、V3与V
R1
、V
R2
、V
R3
三组，利用STM32内部的三个ADC模块进行组内同步采集，组间通过扫描方式实现准同步采集；其中V3在不同组上被重复采集。3.根据权利要求1所述的低成本陀螺仪轴角测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S21、感应信号与轴角之间的关系：通过采样信号，获取轴角大小，首先要找到感应信号与轴角之间的关系；式(1)表达了感应信号与粗机测量角度之间的关系：为了提高测量精度，需要尽量消除电源与空间电磁干扰噪声的影响，考虑到同一时刻，对各信号干扰源相同，可以将(1)式中的3个信号相互作如下的差分运算来降低干扰噪声的影响：令故有步骤S22、最小二乘正弦拟合求解幅值与相位差：利用对正弦信号的最小二乘拟合方法，分别对差分后的S1、S2、S3和参考信号V
R1
进行正弦拟合，求出与公式(5)中的参数A1、A2、A3相关的量，满足误差平方和最小的原则，理论上是保证了所求解的A1、A2、A3具有最高的精度；以信号S1为例，设正弦函数的模型为：
其中，故有根据最小二乘原理有：ξ(a，b，c)＝∑[x
i-(acos2πft
i
+bsin2πft
i
+c)]2＝Min
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(7)令α
i
＝cos2πft
i
，β
i
＝sin2πft
i
，这里x
i
代表S1信号的离散采样数据，f＝400代表被采样信号的频率，t
i
＝5
×
10-6
·
i，i＝0-999分别代表采样时刻与采样点数；对公式(7)进行偏导求解，得到如下的公式(8)，B
·
S＝Y
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(8)其中由公式(8)即可求得S1信号的2个重要参数a和b，记为a1，b1；同理，通过计算可以得到关于V
R1
，S2，S3的重要参数，分别记为a0、b0、a2、b2、a3、b3；通过实际采样和与参考信号V
R1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王选择，程斌，郑烨，翟中生，杨练根，王恒辉，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：