闭环光纤陀螺的输出误差特性研究
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摘要对于自主移动机器人,自我确定在环境r}】的位置是一项基本能力。
在未知环境中,惯性定位方式是移动机器人定位系统中一种完全自主的定位方式并且是不可替代的,然而由于惯性定位器件的输出漂移所带来的累积误差是实现有效定位的最大障碍,本文的主要内容是针对光纤陀螺仪的误差,误差对定位的影响以及如何抑制误差进行了分析和研究。
本文首先对基于多传感器信息融合的移动机器人定位系统平台进行了简介,阐述了基于航迹推算的惯性定位原理,分析了光纤陀螺仪的漂移误差对定位的影响。
目前,对惯性定位器件所带来的累积误差,基于卡尔曼滤波的组合导航是实现有效校正的最佳方式,其中各传感器误差模型的获取是实现误差校正的前提条件。
本文在了解光纤陀螺仪的工作原理、误差产生机理及其分布的情况下,利用E.corel000RD光纤陀螺仪的漂移测量数据,结合目前各种光纤陀螺仪漂移分析的方法,在此基础上采用时问序列分析方法进行研究和分析,并且得出了一系列的结论。
(1)光纤陀螺仪漂移是一个非平稳随机时间序列,它包含随机漂移和常值漂移,但是在温度相对稳定的情况下,其漂移近似为平稳时间序列;(2)由于光纤陀螺仪漂移受环境温度的影响,误差模型具有时变性,其中,常值漂移量与温度是一种非线性关系;(3)通过A{{!I{A(AutoRegressive啪ovingAveragemodel)模型对漂移测量数据进行模型拟合,计算得出AR(1)为光纤陀螺仪漂移输出的适用模型;(4)最后,结合移动机器人的工作特性,根据光纤陀螺仪漂移误差模型具有时变特性,提出了基于递推最小二乘的在线模型参数估计和校正算法,以提高系统的实用性,并且通过模型的一步预测曲线与样本序列的拟合程度证实所求模型的有效性。
光纤陀螺仪误差模型的获得为以后传感器的观测数据滤波处理、基于多传感器信息融合定位系统的实现以及传感器的实时故障诊断提供了必要的条件。
关键词多传感器信息融合,移动机器人定位,光纤陀螺仪漂移,ARMA,在线估计ABSTRACTForautomobilerobot,self-localizationjsamndamenCalabili哆lnertiaNavigationSystemisasel■10calizationwayandisnotabletosubstituteinthepositioningsystemofthemobilerobotinunkno、vnenvironment.However,theerrorcausedbythed—Roftheineniacomponentsistheneckofbottletoaccomplishpositioning.ItisthemaintaskforthisthesistoanalYze柚dtomodeltheFOG’sdnft,theinfluenceofthedriRtopositioningandhowtorestraintthedrift.Thepositioningsystembasedonmulti—sensorinfornlation如sionhasbeeninn.oducedinthisthesis.Theprincipleofdeadreckoningsystemhasbeendescribed.Thepositioningerrorcausedbythedriftoftheinertiacomponentshasbeenanalyzed.TheKalman矗IterisanoptimalwaytorestrainttheerrorofInertiaNaVigationSystem,buildingtheerrormodeljstheDreliminaryconditiontorealize.AfterintroducingtheFOG’sprincipleandthecauseoftheFOG’sd—ft,thetimeseriesisadoptedtoanalyzethedrindataofE.corel000RDFOGanditisconcludedthat(1)theFoG’sdriRisanon.stationarvtimeseriesandincludesrandomcomponentandconstalltcomponent,butitisastationarytimeseriesasthetemperatureisstable;(2)theerrormodeloflheFOG’sdriftistime-VaryingandtheconstantcomponentoftheFOG’sdriRhasareIationofnonlineartothete埘Iperature;(3)theerrormodelofmeFOG’sdriftisexpressedasAR(1);(4>at1ast,combjningwiththecharactcroftherobotworking,RLSisadoptedtoadjustthemodelpammeteronline,theone—step·predicted—ou印utisusedtoconfimlheavailabilitvofthemodel.Itisanecessarycond{tiontoconstructtheFOG’se啪rmodelforestimatinganddiagnosingthef’aultofsensorsandachievingpositioningsystembasedonmulti·sensorinfo珊ation缸sion.KEYWORDSmulti—sensorinfomation如sion,positioningofmobjlerobot,FiberopticalGyroscope’sdrin(FOG’sdrin),ARMA,onlineestimate!堕盔兰塑!兰些堡:!——~一一…一——』!堡第一章绪论1.1引言陀螺是我国一种古老的玩具。
光纤陀螺角速度误差标定及误差补偿方法研究一、引言光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器,其具有高精度、高稳定性、长时间不漂移等优点,在航空、导航、导弹等领域得到广泛应用。
然而,在实际应用中,光纤陀螺仍然存在一些误差,如基准漂移误差、比例因子误差等,在一些对准确度要求极高的场合,这些误差可能会对系统性能产生严重的影响,因此研究光纤陀螺角速度误差的标定及误差补偿方法具有重要意义。
二、光纤陀螺角速度误差标定方法目前,光纤陀螺的角速度误差标定主要有两种方法:自标定法和外标定法。
(一)自标定法自标定法是指通过陀螺自身的输出信号进行误差标定和校正。
该方法主要是利用光纤陀螺内部的定向保持系统,使陀螺的输出信号与真实的角速度之间产生一定的差异,利用这些误差来进行标定和补偿。
自标定法可以减少外部测量设备的依赖程度,适用于一些场合需要减小设备复杂性和提高设备的可靠性。
(二)外标定法外标定法是通过外部标准角速度测量装置对光纤陀螺的输出信号进行比对,从而计算出光纤陀螺的误差参数。
该方法主要是依靠外部测量设备的精度和可靠性,可以获得比较准确的角速度误差参数,适用于准确度要求较高的领域。
三、光纤陀螺角速度误差补偿方法通过光纤陀螺角速度误差的标定,可以获得相应的误差参数,但这些误差参数的存在仍然会影响陀螺的测量精度。
因此,需要采用相应的误差补偿方法进行校正,常用的误差校正方法主要有以下几种:(一)基准漂移误差补偿基准漂移误差是由于陀螺在长期工作过程中基准信号随时间发生变化导致的。
基准漂移误差的校正可以通过在光纤陀螺工作前对基准信号进行定期标定,然后在工作过程中利用误差参数进行实时校正的方法进行。
(二)比例因子误差补偿比例因子误差是由于光纤陀螺工作温度和光纤长度等因素改变而引起的误差。
比例因子误差的校正可以通过采用调整光路长度或者调整工作温度等方法进行。
(三)轴向加速度误差补偿轴向加速度误差是陀螺旋转轴向加速度和相关误差在陀螺SF 和CF输出信号中引入的误差之和。
光纤陀螺的误差分析光纤陀螺是一种利用光纤的旋转特性来测量角速度的仪器。
它广泛应用于航空航天、导航和惯性导航等领域,因其高精度和可靠性而备受青睐。
然而,光纤陀螺所测量的角速度存在一定的误差,需要进行误差分析。
首先,系统误差可以分为多个方面进行分析。
首先是由于仪器本身结构所带来的误差,如光纤的长度不一致、光纤的非线性效应以及光纤的固有频率漂移等。
这些因素会导致测量的角速度偏离真实值。
其次,光纤陀螺的工作原理也会对测量结果造成一定的影响。
例如,光纤的激光光源可能存在一定的功率波动,或者光纤传输过程中会发生损耗和散射。
这些因素会导致光线强度的不稳定,从而影响角速度的测量精度。
另外,光纤陀螺的随机误差主要是由环境、温度和材料等因素引起的。
环境因素包括振动、加速度和温度变化等,这些都会对光纤陀螺的灵敏度和精度造成影响。
温度变化会导致光纤的长度变化,从而影响光纤陀螺的测量精度。
此外,光纤陀螺所使用的材料也可能会受到磁场的干扰,从而影响测量结果的准确性。
这是因为磁场会对光纤陀螺的光纤和传感器产生一定的影响,导致角速度测量的误差。
为了降低光纤陀螺的误差,可以采取以下措施。
首先,通过优化仪器的结构和工作原理,减少系统误差。
例如,采用更精密的光纤制备工艺,以及高稳定性的光源和光探测器。
其次,可以采用传感器融合的方法,结合其他惯性传感器如加速度计和磁力计,从而提高测量的准确性和稳定性。
此外,应尽量减少环境干扰,保持光纤陀螺的工作环境稳定。
在温度方面,可以采取温度补偿和保温措施,以减少温度变化对光纤陀螺的影响。
总之,光纤陀螺是一种高精度的角速度测量仪器,但其测量结果仍存在一定的误差。
这些误差主要由仪器的结构、工作原理和环境因素引起。
通过优化仪器结构、增加传感器融合和降低环境干扰,可以有效减少光纤陀螺的误差,提高其测量精度和可靠性。
光纤陀螺仪的误差分析目前光纤陀螺的研究和应用中还存在着一些关键技术需要作进一步的深入研究。
最突出的问题就是存在许多难以解决的误差源。
一、光纤陀螺仪的分类光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类:1、干涉式光纤陀螺(IFOG)2、谐振式光纤头陀螺(RFOG)3、受激布里渊散射式光纤陀螺(BFOG)其中干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化,而谐振式光纤陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处于基础研究阶段,尚有许多问题需要进一步探索。
所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。
二、干涉式光纤陀螺原理干涉式光纤陀螺的主体是一个萨格奈克(Sagnac)干涉仪,由宽带光源(如超发光二极管或光纤光源)、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤线圈组成,其原理基于萨格奈克效应:当陀螺旋转时,光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束广波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差:式中:R为光纤线圈的半径;L为光纤长度;为光源平均波长;c为真空中的光速。
图1 干涉式光纤陀螺的机构组成三、光纤陀螺的噪声来源由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源的影响,光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。
为了减少光纤陀螺的误差并提高其精度,需要对其进行性能评价,辨识出影响其精度的主要误差源,以便进一步采取措施消除相关的随机误差。
在实际系统中,萨格纳克效应非常微弱,构成光纤陀螺的每个元件都可能是噪声源,而且存在各种各样的寄生效应,它们都将引起陀螺输出漂移和标度因数的不稳定性,从而影响光纤陀螺的性能。
主要误差源1.光源噪声光源是干涉仪的关键组件,光源的波长变化、频谱分布变化、输出光功率的波动、返回光的干扰,都将直接影响干涉的效果。
另外,返回到光源的光直接干扰了它的发射状态,引起二次激发,与信号光产生二次干涉,并引起发光强度和波长的波动。
(1)光源的波长变化的影响可通过信号处理的方法加以解决。
若波长变化是由温度变化引起,则可直接测量温度而校正波长,否则,必须测量波长进行校正。
光纤陀螺仪误差分析与补偿光纤陀螺仪是一种利用光纤的干涉原理测量角速度的装置,广泛应用于惯性导航、航天航空、舰船导航等领域。
然而,光纤陀螺仪由于受到多种因素的影响,其测量结果可能存在误差。
因此,对光纤陀螺仪的误差进行分析与补偿非常重要。
首先,零偏误差是光纤陀螺仪测量出的角速度与真实角速度之间的差距。
这是由于光纤陀螺仪的初始偏置或输出电压的漂移引起的。
为了补偿零偏误差,通常采用零偏校正技术,即在测量过程中利用稳定的参考源进行校正,使得零偏误差尽可能地减小。
其次,尺度因数误差是指光纤陀螺仪输出的角速度与输入的真实角速度之间的比例误差。
这种误差可能是由于光纤陀螺仪内部元件的尺寸、形状不一致或干涉输出的非线性引起的。
为了补偿尺度因数误差,可以通过标定和校正技术来精确测量和调整光纤陀螺仪的尺度因数,使得测量结果更加准确。
此外,光纤陀螺仪的寿命误差是指其输出在使用一段时间后的漂移误差。
这种漂移可能是由于光纤陀螺仪内部元件的老化、磨损或热膨胀引起的。
为了补偿寿命误差,可以采用自适应滤波技术和故障检测技术,通过与历史数据的比较和分析,实时调整光纤陀螺仪的输出,以减小误差。
最后,光纤陀螺仪的温度误差是由于环境温度变化引起的。
温度变化会导致光纤陀螺仪内部元件的物理性质发生变化,进而影响测量结果的准确性。
为了补偿温度误差,可以在设计过程中采用温度补偿电路,通过测量环境温度,并根据温度-误差曲线对输出信号进行补偿,以提高光纤陀螺仪的稳定性和精度。
综上所述,光纤陀螺仪误差的分析与补偿对于提高其测量精度和可靠性至关重要。
通过对各种误差源的理解和分析,可以采取相应的校正和补偿措施,实现准确、稳定的角速度测量。
在实际应用中,还需要考虑误差的累积效应和系统的实时性要求,以确保光纤陀螺仪的性能达到设计要求。
光纤陀螺中的Shupe误差及八极绕环技术研究的开题报告题目:光纤陀螺中的Shupe误差及八极绕环技术研究的开题报告研究背景:随着社会的发展,人们对高精度导航和姿态控制系统的需求越来越大。
而光纤陀螺是一种重要的精密导航仪器,具有高精度、长寿命、快速响应等优点。
但是在实际应用中,光纤陀螺存在一些误差,其中Shupe误差是比较严重的一种,它会对光纤陀螺的精度和稳定性产生很大影响。
而对于光纤陀螺中的八极绕环技术,它可以有效地解决Shupe 误差问题,提高系统的精度和稳定性。
因此,对于Shupe误差和八极绕环技术的讨论和研究是非常有必要的。
研究目的:本研究的主要目的是探讨光纤陀螺中的Shupe误差机理,分析其对光纤陀螺系统的影响。
同时,本研究还将研究八极绕环技术的基本原理和实现方法,比较其与传统绕环方法的不同之处,并进行理论分析和实验验证。
研究内容:1. Shupe误差的机理分析。
2. 光纤陀螺中的八极绕环技术的基本原理和实现方法。
3. 对比分析八极绕环技术与传统绕环方法的不同之处。
4. 进行理论分析和实验验证,验证八极绕环技术的有效性。
研究方法:1. 文献研究法:对于Shupe误差和八极绕环技术的相关文献进行全面搜集和分析,深入了解其理论基础和实现方法。
2. 实验研究法:通过实验验证八极绕环技术的有效性,分析其对光纤陀螺系统精度和稳定性的影响。
3. 数学模型建立法:建立光纤陀螺系统的数学模型,探究Shupe误差的产生机理和八极绕环技术的原理。
4. 计算机仿真法:利用计算机仿真技术,对光纤陀螺系统进行仿真分析,以验证八极绕环技术的有效性。
研究意义:1. 深入了解光纤陀螺中的Shupe误差机理和八极绕环技术的基本原理和实现方法。
2. 提出有效的解决Shupe误差问题的方法,为光纤陀螺的研究和应用提供理论依据和技术支持。
3. 验证八极绕环技术的有效性,为光纤陀螺系统的精度和稳定性提高提供一种新的绕环方法。
4. 推动航天、军事、运输等领域高精度导航和姿态控制系统的发展。
闭环光纤陀螺死区及光功率交扰误差的研究周原;孙丰元;梁勇;吕航伟【摘要】数字闭环光纤陀螺引入的死区问题限制了其向更高性能惯性导航系统的应用.采用数学模型分析了数字闭环光纤陀螺死区的成因是反馈相关误差干扰,通过simulink仿真工具对死区现象进行了仿真,对比陀螺死区测试对模型进行了验证.以此为基础提出了电光合串扰造成死区的干扰模式,分析了干扰误差源的信号频域特征并使用频谱分析仪对受干扰的光功率信号进行了相关频点的测试,同时对比了干扰抑制后无死区的光功率信号相关频点的测试结果.通过抑制相关误差前后的测试结果对比,验证了与数字闭环反馈阶梯波相关的误差输入是死区形成的根本原因,除了电路交叉耦合之外,电路对光强的调制干扰也会造成死区问题.在采用针对干扰信号频率特性的退耦及PCB设计后,闭环光纤陀螺死区由0.2°/h降低至0.02°/h,满足系统应用需求.%The dead zone has severely influenced the application of the digital closed-loop fiber optic gyroscope (DCFOG) in high performance inertial navigation system.A mathematic model focusing on feedback related interence was established to analyze the dead zone in fiber optic gyroscope and was verified through FOG dead zone measurement of its simulation data by simulink.Based on this,an optical power interference model was proposed, and the frequency characteristic of the interference source analyzed and compared to the optic power affected.Further, an interfer suppressed PCB layout shows a much less coupling and dead zone.All measurement shows that the feedback phase step signal dependent error is the primary cause of the dead zone;besides the electric crosstalk,the phase step dependent modulation of optic power can alsobring error to gyro signal processing and cause dead zone.After the targeted design of decoupling and error modulation, the dead band reduces from 0.2°/h to 0.02°/h, which meets the requirements of the application.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)006【总页数】6页(P948-953)【关键词】光纤陀螺;死区;光强调制;交叉耦合【作者】周原;孙丰元;梁勇;吕航伟【作者单位】中航工业西安飞行自动控制研究所,陕西西安 710065;西北工业大学,陕西西安 710072;中航工业西安飞行自动控制研究所,陕西西安 710065;中航工业西安飞行自动控制研究所,陕西西安 710065;中航工业西安飞行自动控制研究所,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TN253干涉式闭环光纤陀螺仪是近年来发展迅速的一种全固态角速率传感器[1],光纤陀螺仪的死区是指在测量很小的输入转速时,陀螺仪输出不再与输入成线性比例关系,并随着输入的减小稳定在零的现象[2-3]。
光纤陀螺寻北系统误差研究的开题报告一、研究背景光纤陀螺寻北系统是一种基于光纤陀螺的惯性导航系统,在现代化军事装备和航空、航天、海洋等领域应用广泛。
其中,光纤陀螺是一种高精度、高稳定性传感器,具有优良的工作性能和可靠性。
因此,光纤陀螺寻北系统已成为惯性导航系统的首选。
然而,在实际的应用过程中,光纤陀螺寻北系统存在一定的误差问题,如机械误差、电子误差、环境误差等。
其中,系统误差是光纤陀螺寻北系统中的主要误差因素,直接影响了系统的准确度和可靠性。
因此,对于光纤陀螺寻北系统误差进行研究和探索,具有重要的理论价值和实际意义。
二、研究目的本研究旨在通过对光纤陀螺寻北系统误差的分析和研究,探索其产生原因和影响因素,并提供相应的改进措施和优化方案,以提高光纤陀螺寻北系统的精度和稳定性。
三、研究内容和方法1.研究内容(1)光纤陀螺寻北系统的基本原理和结构特点;(2)光纤陀螺寻北系统误差的类型和影响因素;(3)误差补偿和校正方法的研究和应用;(4)光纤陀螺寻北系统误差的评估和精度分析。
2.研究方法(1)理论分析法:通过对光纤陀螺、寻北系统的基本原理和工作原理的分析,探索系统误差产生的原因和机制。
(2)仿真模拟法:运用数学模型和计算机仿真技术,对光纤陀螺寻北系统的误差进行模拟和分析。
(3)实验验证法:设计合理的实验方案和测试方法,对光纤陀螺寻北系统的误差进行验证和比较。
四、预期结果和意义通过本研究,能够深入了解光纤陀螺寻北系统的误差形成机制和影响因素,研究出适用于不同情况下的误差补偿和校正方法,提高系统的精度和稳定性,为相关领域的应用和推广提供必要的理论和技术支持。
同时,也对于光纤陀螺及其应用领域的发展和创新有积极的推动作用。