光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现

光纤陀螺监测系统设计摘要：为了监测光纤陀螺在运行过程中因电源电压、电流及陀螺环境温度变化而直接影响其使用精度甚至系统运行出现故障等问题，设计了一种基于DSP的实时自动数字监测系统，将监测到的陀螺运行状态数据通过LCD显示；将采集到的温度信号通过接口电路传递到温控系统；当监测到系统运行异常时可自动关闭系统以达到对陀螺的保护作用。

本系统提高了光纤陀螺的可靠性及安全性。

关键词：光纤陀螺；无缝接口； LCD显示；数字自动监测系统光纤陀螺(FOG)是以Sagnac效应为基础发展起来的新型全固态陀螺仪，是一种无机械转动部件的惯性测量元件，具有无运动和磨损部件、启动快、寿命长、体积小、质量轻、耐冲击、精度高、动态范围大等优越性能，广泛用于军事和民用工业等领域[1]。

光纤陀螺的性能受众多环境因素的影响，供电电压、电流及环境温度的变化是影响光纤陀螺性能的重要因素。

对于这些影响光纤陀螺性能的因素进行有效的监测，有助于系统的故障检测和提高陀螺的使用精度，更重要的是对系统起到了一种实时保护作用。

本文采用基于DSP的数字自动监测电路，分别对电源电压、电流以及环境温度进行实时监测，并且将监测到的数据通过接口电路发送到PC和温控系统以及LCD显示装置。

1 系统设计系统工作原理:通过对系统工作时的电源电压、电流及环境温度信号进行调理、A/D采样、滤波算法、待测值计算算法等处理后得出系统的工作状态。

电压信号通过信号调理电路后可以直接进行A/D采样；电流信号先通过电流/电压转换电路，再通过信号调理电路，最后经A/D采样；温度信号由温度传感器AD590获得，根据流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：I/T=1即1 μA/K，串联一个电阻将电流信号转换成电压信号，A/D采样后,由电压与温度的关系得到温度值。

NTC热敏电阻测温时,主要原理是通过测得电阻值后，根据热敏电阻阻值与温度的关系转换成温度值，所以，本系统采用四臂电桥法[2]来测量热敏电阻的阻值。

光纤陀螺捷联惯性导航系统标定测试技术研究的开题报告一、研究背景惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）是一种有效的位置和速度测量手段，具有高精度、高可靠性等特点，被广泛应用于航空、航天、海洋、测绘、导航等领域。

光纤陀螺是惯性导航系统中的核心部件之一，其具有精度高、稳定可靠、长时间工作等特点。

然而，由于光纤陀螺的非线性特性和误差积累，陀螺漂移等问题，使得 INS 在长期使用过程中需要进行定期标定和校准以保证其精度和可靠性。

同时，由于 INS 在使用过程中存在复杂的运动和工作环境，标定测试技术也需要能够适应不同的工作环境和精度要求。

因此，本研究旨在针对光纤陀螺捷联惯性导航系统的标定测试技术进行深入研究和探讨。

二、研究内容和目标1. 研究光纤陀螺捷联惯性导航系统的原理和组成结构，并分析其误差来源和误差特征；2. 分析现有的光纤陀螺标定测试技术及其优缺点，并结合我国航空领域发展现状和需求，提出针对不同环境和精度要求的标定测试方案；3. 设计标定测试实验方案，建立光纤陀螺捷联惯性导航系统的测试平台和数据处理系统，进行标定和测试实验，并分析实验结果和误差特征；4. 探索和优化光纤陀螺捷联惯性导航系统的标定测试技术，提高其精度和可靠性。

三、研究方法和技术路线1. 文献资料研究法：对 INS 和光纤陀螺的发展历程、工作原理、误差来源、标定测试技术等进行系统分析和综述；2. 建模分析法：建立光纤陀螺捷联惯性导航系统的数学模型，分析其误差源和误差特征；3. 设计实验法：设计标定测试方案，建立测试平台和数据处理系统，进行标定和测试实验，并分析实验结果和误差特征；4. 优化探索法：根据实验结果和分析，探索和优化光纤陀螺捷联惯性导航系统的标定测试技术。

四、研究意义和预期成果本研究的意义在于对光纤陀螺捷联惯性导航系统的标定测试技术进行深入研究和探讨，提高 INS 的精度和可靠性，同时对我国航空领域的发展和应用具有重要意义。

光纤陀螺测试装置设计【摘要】本文为实现对某设备中光纤陀螺的维修测试，设计了基于ARM9、具备快速检测该型光纤陀螺的功能的装置，并可通过速率转台等辅助设备对其进行性能测试的功能。

【关键词】光纤陀螺;测试;ARM9引言光纤陀螺是一种基于萨格纳克（Sagnac）效应的传感器件。

与机电陀螺相比具有精度高、动态范围宽、性能稳定、寿命长、价格少等优点，因此被广泛应用于现代航空、航海、航天和国防工业中。

随着光纤陀螺应用越来越多，在设备维护过程中迫切需要具有快速检测陀螺功能及性能的便携式检测设备。

本文针对某型设备中的光纤陀螺，采用基于ARM9的Samsung S3C2440设计了一种具有快速检测该型光纤陀螺的功能的便携测试装置，通过速率转台、隔振平台等辅助设备可进行光纤陀螺性能指标的测试。

1.测试对象及功能定义测试的对象是俄罗斯Fizoptika公司生产的高性能、微型化的光纤陀螺VG910，该陀螺具有比例因子大的特点，常常用于天线伺服控制系统中。

VG910是模拟输出的陀螺仪，其对外接口定义如表1所示。

表1 VG910接口定义序号定义描述1 +5V 供电电压，+5V偏差0.25V内2 +12V 输入电源，范围+9V～+16V，10mA3 OUTPUT 输出电压（55mV/deg/sec）4 -12V 输入电源，范围-9V～-16V，10mA5 AGND 信号地6 GND 地7 KEY /8 GND 地9 NO 保留10 NO 保留对光纤陀螺测试的功能定义只为在设备维修过程中快速检测陀螺是否故障，为增加该测试装置的应用范围，同时定义了对标度因素、零偏等性能指标的测试。

即提供与速率转台的接口，根据光纤陀螺测试规范设计一套自动测试的程序。

对光纤陀螺测试的功能定义如下：（1）有无数据输出，该项可判断陀螺是否工作。

（2）数据是否有效，看数据输出是否在正常范围内。

（3）数据输出量，通过实际输出量与标准量对比看陀螺正常工作与否。

LINS-F500型光纤陀螺惯性测量单元规格说明书无锡凌思科技有限责任公司LINS-F500光纤惯组技术指标1简介光纤陀螺作为一种新型全固态陀螺，具有启动快、测量范围广和可靠性高等优点。

其中，LINS-F500型光纤陀螺惯组是针对中等精度应用背景的需求，采用三轴共用技术设计，成本低、性能稳定；结构上采用光路、电路一体封装，结构简单，安装方便，可应用与小型导弹、制导炸弹的导航制导、姿态测量与控制等系统中。

1.1 应用范围该说明书仅适用于LINS-F500型产品，包含了性能指标、技术条件、外形尺寸及安装使用。

其中，技术条件包括产品的环境范围、电气性能、物理特征。

1.2 主要参数1.2.1 光纤陀螺仪主要性能指标：LINS-F500主要性能指标1.2.2 力学测试 1.2.2.1 正弦扫描振动陀螺按振动方向通过工装固定在振动台上，陀螺仪进行3个方向的正弦扫描，分别对应于X 轴、Y 轴、Z 轴方向。

振动步骤；振动台加激磁，给陀螺仪加电，预热一定时间后（陀螺启动时间），测试陀螺仪输出值，约5min ；进行正弦振动。

振动条件：20Hz-2000Hz ，扫描时间5min ，幅值4.2g 。

振动过程中，记录陀螺仪输出。

随机振动振动频率：20Hz~2000Hz 振动时间：各轴分别为5min 振动方向：X 、Y 、Z 轴 振动谱图：见附图1附图1振动谱图 指标要求：光纤陀螺在20HZ ～2000Hz 范围正弦扫频扫描无谐振；随机振动：振中零偏值与前后零偏平均值的绝对值≤0.1º/h ，振前与振后零偏差的绝对值≤0.05 º/h。

1.2.2.2 机械冲击按表2的要求。

表2冲击试验条件功率谱密度 0.06g 2Hz冲击过程中，产品处于通电状态，完成机械冲击产品，应能正常工作，冲击前后零偏差的绝对值≤0.05 º/h。

2. 通讯协议注：1. 加速度值单位是g，角速度值单位是弧度/秒，姿态角度单位是弧度.2. 串口配置是1bit起始位，8bit数据，无校验位，1bit停止位，默认波特率1152003、接线定义4、产品外形尺寸LINS-F500 IMU外形尺寸图。

目次1范围 (1)2规范性引用文件 (1)3术语、定义和符号 (1)4测试环境 (2)5测试设备和仪器 (2)6测试项目 (3)7测试方法 (3)光纤陀螺惯性导航系统测试方法1 范围本文件规定了光纤陀螺惯性导航系统（以下简称“光纤惯导”）的功能及性能测试方法，包括测试环境、测试设备和仪器、测试项目、测试方法等。

本文件适用于民用和军用飞机、车辆、舰船、潜航器、制导武器等各类运载体上使用的光纤惯导功能及性能测试，也适用于基于光纤惯导构成的组合导航系统中惯性导航相关的功能及性能测试。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性应用而构成本文件必不可少是条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 9390-2017导航术语GJB 150.2A-2009军用设备实验室环境试验方法第2部分：低气压（高度）试验GJB 150.3A-2009军用设备实验室环境试验方法第3部分：高温试验GJB 150.4A-2009军用设备实验室环境试验方法第4部分：低温试验GJB 150.5A-2009军用设备实验室环境试验方法第5部分：温度冲击试验GJB 150.6-1986军用设备环境试验方法温度－高度试验GJB 150.9A-2009军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验GJB 150.15A-2009军用设备实验室环境试验方法第15部分：加速度试验GJB 150.16A-2009军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验GJB 150.17A-2009军用装备实验室环境试验方法第17部分：噪声试验GJB 150.18A-2009军用设备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验GJB 150.23A-2009军用设备实验室环境试验方法第23部分：倾斜和摇摆试验GJB 585A-1998惯性技术术语GJB 729-1989惯性导航系统精度评定方法3 术语和定义GB/T 9390-2017、GJB 585A-1998和GJB 729-1989界定的以及以下术语和定义适用于本文件。

基于光纤陀螺仪的惯性导航系统设计与应用随着科技的发展和人类探索空间的需求不断增加，惯性导航系统逐渐成为了一种必不可少的航行设备。

它可以通过记录飞行器在空间中的运动状态和运动轨迹来实现空间导航的精准性和可靠性。

在惯性导航系统的实现中，光纤陀螺仪是一种关键的传感器，它的高精度和稳定性可以为惯性导航系统提供所需的数据支持，因而具有广泛的应用前景。

基于光纤陀螺仪的惯性导航系统是一种高精度的导航系统，它主要有三个部分组成：加速度计、光纤陀螺仪和微处理器。

加速度计主要是用来检测物体在空间中的加速度，并将其转化为电信号输出；光纤陀螺仪是一种利用Sagnac效应进行测量的陀螺仪，用于测量物体在空间中的旋转角速度；微处理器则主要是用来处理传感器输出的电信号，并进行计算和导航。

相比传统的机械式陀螺仪，光纤陀螺仪具有更高的精度和稳定性，因为它不需要复杂的机械运动部件，而是利用光学原理来实现惯性导航的功能。

光纤陀螺仪的测量原理是基于Sagnac效应，利用光信号在光纤中的传播速度随光传播方向的变化而发生的相位差来实现测量。

在光纤陀螺仪中，光信号分别在X、Y、Z三个轴的光纤环路中传输，通过测量三个光纤环路中光信号传输的差异来测量空间中重力加速度的XYZ方向和角速度的XYZ轴分量，从而实现对飞行器的导航控制。

光纤陀螺仪的精度和稳定性受到很多因素的影响，其中包括温度、震动、光强等等。

为了提高光纤陀螺仪的精度和稳定性，需要进行一些优化和改进。

例如，可以通过优化光纤的材料和制作工艺来减小光传播时遇到的损耗；可以通过引入相位稳定器来防止传输光信号时受到温度变化等方面的影响。

虽然基于光纤陀螺仪的惯性导航系统具有高精度和稳定性的优势，但它也存在一些挑战和限制。

其一是成本较高，因为光纤陀螺仪的制造过程和技术要求较高；其二是体积较大，因为光纤陀螺仪在设计过程中需要考虑其稳定性和精度的要求，因而导致系统体积较大；其三是必须在外部参考系统的支持下进行使用，因为光纤陀螺仪本身无法提供实际的位置和速度信息。

可编辑修改精选全文完整版数字闭环全保偏干涉型光纤陀螺一． 实验目的刚体的定轴转动是大学物理中的重要教学内容。

学生学习了这部分内容之后，都知道陀螺仪由于其定向作用而用于飞机导航系统。

但学生往往以为现代飞行器上的陀螺仪都是这种传统的机械陀螺仪。

实际上，光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。

光纤陀螺演示可以使学生开阔眼界，提高综合运用知识的能力。

二．实验原理光纤陀螺仪都是根据萨格纳克效应研制的。

光在萨格纳克效应中产生的光程差与旋转角速度成正比，从而可通过光的干涉结果推算角速度。

图1为萨格纳克效应示意图。

设光纤线圈半径为R ，光源和探测器均置于A 处。

图1（a ）中，装置相对惯性空间处于静止状态，从A 点发出的两束光沿顺时针（CW ）、逆时针（CCW ）两个方向，经2πR回到A 点，两束光的光程差为零。

图1（b ）中，装置相对惯性空间以角速度Ω沿顺时针转动，当从A 点发出的两束光沿顺时针（CW ）、逆时针（CCW ）两个方向传播时，A 点也沿顺时针移动。

因而当A 点移到A’点，探测器探测到的两束光的光程差不再为零，顺时针传播的光是从后面追上A 点的，其经过的路程大于2πR ，逆时针传播的光是迎向A 点的，其经过的路程小于2πR 。

两束光产生一非互易光程差。

若光在真空中传播，设顺时针、逆时针两束光光程分别为L CW 、 L CCW ，所需时间分别为t CW 、t CCW ，c c c ccw cw ==为真空中的光速，则[1]：ccw ccw ccw ccw cwcw cw cw t c t R R L t c t R R L =-==+=ΩπΩπ22 (1)解得时间差为 22422)(22c A c R R c c c c R Rt t t ccw cw ccw cw ccw cw ΩΩπΩπ∆==⋅--=-= …………（2） 上式中，A 为圆形光路所围的面积。

必须说明，以上推导仅仅是一种简单化的推导，是低速运动的近似。

光纤陀螺惯性测量单元高精度混合式标定技术目前,高精度光纤陀螺惯性测量单元在出厂标定完成并交付使用一段时间后,其内部惯性器件的性能参数可能发生改变。

此外,一些系统性能参数如内杆臂参数、时间延迟参数等在出厂标定的过程中未被考虑。

因此,本文针对几种主要的系统性能参数进行研究并提出了包含系统级参数误差标定、内杆臂参数标定和时延参数标定的厂外混合式标定方法。

系统级标定法的目的在于减少标定过程对转台精度的依赖,因此提出了一种基于18位置转停翻滚路径的系统级标定方案,能够对出厂标定的结果进行精确的修正。

根据惯导误差基本测量模型,推导了系统级标定Kalman滤波模型,分别进行了单轴旋转路径下和18位置翻滚路径下的可观测性分析与仿真试验,之后进行转台试验。

最终验证了提出的18位置翻滚路径下的系统级标定方法能够标定出较为精确系统参数误差。

转台标定试验过程中,光纤陀螺惯性测量单元总是沿着不同轴旋转才能对误差参数提供足够的激励。

而由于内杆臂误差的存在,频繁的旋转运动可能产生严重的内杆臂误差。

本文在传统内杆臂参数标定方法的基础上,设计了一种有效的摇摆旋转标定方案,通过理论研究解释该方案的合理性以及采用两种不同的标定路径比较验证。

可观测性分析和试验结果都表明,所提方法能够标定出较高精度的内杆臂参数。

最终,经过标定结果的补偿,内杆臂误差被显著抑制。

实际的光纤陀螺惯性测量单元中,每个惯性器件之间可能存在输出信号时间的异步问题,特别是在高动态翻滚测试的环境下,将会影响捷联惯导系统速度更新准确性。

本文充分考虑三个加速度计与陀螺仪之间的时间异步误差,提出了一种基于单轴连续旋转路径下的时间延迟参数标定方法,设计Kalman滤波器并有效标定时延参数。

仿真与转台试验验证了所提方案能精确辨识加速度计与陀螺仪之间的三个时延参数,最终实现系统输出信号的时间同步。

满足高精度光纤陀螺惯性测量单元的应用。

光纤陀螺的制备及性能分析光纤陀螺是一种基于光纤技术的高精度、稳定性强的惯性导航仪器，被广泛应用于各种航空导航、船舶导航、地震测量、高速铁路运行控制等领域。

本文将从光纤陀螺的制备流程、工作原理以及性能分析等方面进行论述，以帮助读者更好地了解和掌握光纤陀螺技术。

一、制备流程光纤陀螺主要由光学器件、光纤环、光路控制电路和数据采集系统四个部分组成。

其中，光学器件使用的是高精度的激光器、光电探测器等设备，需要经过精细的制作和校准才能保证稳定性和精度。

制备光纤环的流程主要包括材料选取、拉制和腐蚀等步骤。

首先需要选取质量好、强度高、损耗小的光纤材料，常见的有石英玻璃、氟化物玻璃等。

然后，在一定温度和拉力下，将光纤拉制成一个环状结构，保持其高度均匀性和圆度。

接下来进行腐蚀处理，使用一些专门的化学液体，对光纤进行精细的腐蚀，以形成光纤环。

在光学器件和光纤环制备完成后，需要将两者进行精密的对准和调整，以确保光路的稳定性和准确性。

最后，将光路控制电路和数据采集系统连接，经过校准和测试，即可完成光纤陀螺的制备。

二、工作原理光纤陀螺的工作原理是基于Sagnac效应的，在光纤环内通过光束的传输和反射，可以测量出陀螺仪自身的旋转速度和方向。

具体来说，当光束从激光器发出后，经过光纤入口进入光纤环内，并在光纤环内逆时针和顺时针两个方向反射，最终在光纤出口汇聚在一起，形成干涉光图案。

在不旋转的情况下，两束光芒的相位相同，在干涉光图案中产生明纹和暗纹的交替分布。

而当陀螺仪发生旋转时，由于Sagnac效应造成的相位偏移会导致明纹和暗纹的位置发生变化，这种变化与陀螺仪的旋转速度和方向有关。

通过测量干涉光图案的变化，就可以计算出陀螺仪的旋转角度和速度。

三、性能分析光纤陀螺具有高精度、稳定性好等优点，但也存在一些性能指标的限制。

一是零偏漂移和比例因子漂移。

零偏漂移指的是陀螺仪在不旋转的情况下输出的误差信号，比例因子漂移指的是陀螺仪在旋转时输出信号的比例关系发生的误差。

第14卷第3期中国惯性技术学报 2006年6月V ol.14No.3 Journal of Chinese Inertial Technology Jun. 2006 文章编号：1005-6734(2006)03-0077-03光纤捷联惯性测量单元设计与实现杨 胜，房建成，盛 蔚(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100083)摘要：提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。

该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出。

重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。

系统通过转台实验进行了离线标定及在线补偿，测试结果表明：系统在功能、精度以及实时性等方面达到了预期的设计目标。

关键词：光纤陀螺；捷联式惯性测量单元；数据采集；数字信号处理器中图分类号：U666.1 文献标识码：ADesign and realization of strapdown inertialmeasurement unit based on FOGYANG Sheng, FANG Jian-cheng, SHENG Wei(School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)Abstract: This paper presents a design and realization method of Strapdown Inertial Measurement Unit (SIMU) using open-loop fiber optic gyroscopes (FOG) and MEMS accelerometers. A high-speed digital signal processor (DSP) is used to carry out data acquisition, digital signal processing, and result output. The design of system hardware and software is presented in detail. The off-line calibration and on-line compensation have been done in the turntable test, and the result shows that the design requirement is achieved.Key words: FOG; SIMU; data acquisition; DSP0 引 言随着以计算机为“数学平台”的捷联惯性导航与制导技术的发展，由捷联式惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)构成的系统在某些应用中正在逐渐取代传统的框架式系统。