毕业设计（论文）-光纤陀螺寻北算法研究

摘要摘 要以陀螺为核心传感器的惯性寻北系统已经成为军事，工程应用中比较重要的定位定向设备。与挠性陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，结构稳定，抗冲击能力强，能直接输出数字信号，易于数据处理等优势。光纤陀螺寻北系统的稳定性和精度都会受到自身和外界因素的影响，主要有光纤陀螺自身的漂移，测量所带来的误差，振动，风扰等等。通过对光纤陀螺输出信号的筛选和处理能有效地提高其输出精度。本论文主要对光纤陀螺寻北算法进行了研究。首先研究了光纤陀螺作为角速度传感器的测量原理和惯性定向定位系统的结构，并分析了光纤寻北系统的主要误差来源，为后面的误差分析做原理上的阐述。然后设计了基于LABVIEW的光纤寻北信号采集和解算系统，并在校准过的三轴精密转台上进行了光纤陀螺寻北实验。采用了格拉布斯准则作为去除粗大误差的标准，并进一步利用神经网络实现测量数据到角速度参考值的拟合，减小了光纤陀螺输出数据的误差。采用二位置方法和四位置方法分别对光纤陀螺输出信号进行寻北解算。得出了误差变化的规律，并提出了改进后的寻北方法，理论上分析了提高其寻北精度的可能。最后分析和提出了本论文研究的光纤陀螺寻北系统算法所依赖的陀螺载体转动平台必须的转位精度，实现了载体平台在斜面上的寻北仿真实验。关键词：光纤陀螺；惯性技术；神经网络 12ABSTRACTABSTRACTInertial north seeking system based on gyroscope has become a important equipment of military and engineering applications for direction determing. Compared with flexible gyro, there are many advantages in fiber-optic gyroscope, such as structural stability, anti-impact ability , direct output digital signals, easy to data processing and so on. Stability and accuracy of fiber optic gyro North-seeker system will be affected by the self and external factors, including the fiber-optic gyroscope drift, measuring error, vibration disturb, wind disturbed and so on. The output precision could be increased through screening and treatment on optical fiber-gyro output signals.This paper mainly focuses on study of fiber-optic gyro North-seeker algorithm.The measurement principle of fiber-optic gyro which is used as angular velocity senor is studied. The main error sources are analyzed. Data acquisition and solution system of optic-fiber gyroscope north-seeker based on LABVIEW is designed, and the system is tested on a precision 3-axis turntable which has been calibrated. The gross error is removed through the Grubbs' Criterion, and the neural network is further used to fit the measurement data to the angular velocity. So the output error of optic-fiber gyroscope is reduced. Two position method and four position method are separately used to get the goal angular, and the error changing laws are received. Then a improved nor-seeking method is raised. In the final, the requirement of the rotation platform is analyzed and a simulation experiment on the angular surface is realized.KEY WORDS: Fiber-optic Gyroscope; Inertial Technology; Neural Network目录目 录第1章引言11.1 课题背景11.2国内外发展概况31.3 论文的主要内容和结构41.4 本章小结5第2章 光纤陀螺寻北算法原理62.1 光纤陀螺62.1.1光纤陀螺的工作原理62.2.2 光纤陀螺的结构和分类72.2光纤陀螺寻北系统的原理92.3 光纤寻北系统的算法概述及计算原理102.3.1 静态寻北方法102.3.2 动态寻北方法122.5 寻北方法的选取依据132.6 本章小结13第3章 光纤寻北系统误差来源与分析143.1 光纤陀螺引起的寻北误差143.1.1 光纤陀螺仪性能参数143.1.2 光纤陀螺的测量误差引起的寻北误差153.2 转台的转位误差对寻北系统的影响163.3 寻北位置的坡度带来的误差173.4 本章小结18第4章 实验数据分析和处理204.1 实验用到的光纤陀螺仪及其输出特性204.1.1光纤陀螺仪输出信号204.1.2 LabVIEW虚拟仪器对输出信号的采集214.2光纤陀螺仪输出误差处理244.2.1 粗大误差的处理244.2.2神经网络对光纤陀螺输出误差补偿274.3 二位置寻北结果和四位置寻北结果304.4 改进的寻北方案实现314.5 寻北系统对转位控制的要求324.6 倾斜位置的寻北仿真实验334.7本章小结35第5章 结论36参考文献37个人简历39在读期间发表的学术论文及研究成果39致 谢40第1章 引言第1章 引言随着社会的进步和文明的发展，寻北仪在军事上的需求越来越迫切，在隧道施工、矿山开采、大地测量、资源勘测等民用工程中也越来越显示出广阔的应用前景。尽管目前市场挠性陀螺的寻北仪有了很多的产品，技术也相当成熟，但是由于光纤陀螺寻北仪表现出了与同类产品相比更好的优越性能，对光纤陀螺寻北仪的研究和应用也成了迫切任务。一旦，光纤陀螺寻北仪得到推广，势必会促进国内光纤陀螺技术和生产方面的发展，可谓一举两得。1.1 课题背景寻北技术，自古有之，随着科学技术的发展，目前已有很多种不同的方法，如惯性法、天文观测法、大地测量法、卫星定位法、参照物法等等。但是，在坑道、水下等复杂地形和复杂天气以及环境等特殊条件下，天文观测法、大地测量法、卫星定位法和参照物法都会受到不同程度的条件制约，或者精度低，或者根本无法实施。只有惯性法才能不受自然条件或环境的干扰，独立完成寻北任务，而且具有连续工作时间长、精度高等特点。因此，惯性寻北方法一直是各个发达国家致力研究的尖端工程技术。寻北系统分为陀螺寻北系统和非陀螺寻北系统两大类。对于非陀螺寻北系统，早在六十年代初就有人开始研究利用线性加速度计来测量角和角速度的方法。随着加速度计制造技术的进步，在八十年代出现了这种非陀螺惯性测量单元。这种技术摒弃了昂贵的陀螺，使得制造成本大大降低，而且采用动态工作方式，反应速度快，成为了研究的又一热门领域。陀螺寻北系统若按所采用的陀螺种类可分为陀螺摆式寻北系统、单轴速率陀螺寻北系统和双轴速率陀螺寻北系统。摆式寻北系统的陀螺通过吊丝在相对地球固定不动的载体上，通过对其运动状态的分析可确定真北方向。这种系统的精度较高，但定向一般都比较长。早期的陀螺摆式寻北系统性能受吊丝特性影响较大，稳定性不好，对工作环境要求很高。后来，通过采用新方法改善了吊丝的性能，但增加了制造工艺难度。另外，利用最小二缩短了寻北时间。单轴速率陀螺寻北系统简单、原理明晰、易于实现，因此得到广泛的重视和深入发展。由于这种系统的陀螺不产生摆动，所以定向时间较短，但其寻北受陀螺随机漂移的限制。光纤陀螺是一种基于Sagnac效应实现高精度旋转角测量的传感器，其性能随着光纤技术、集成光学技术、制作工艺、信号处理和基础理论等方面的综合发展而逐步得到提。它通过检测由于相对惯性空间中的转动角速度而引起的在闭合光路中相向传的两束光干涉产生的Sagnac相移来提取角速度信息。自1976年V.Vali和RW.Shorthill首次提出光纤陀的概念之后，美国、法国、德国、英国以及日本等国家先后投入了巨大的人力和物力，进行了理论研究和实用化开工作，并取得了令人瞩目的成就。光纤陀螺仪按其回路类型可分为开和闭环两类：按其结构可分为单轴和多轴两类：按其性能可分为战术级（中间级）、导航级和密级三类。开环光纤陀螺仪在输入输出的线性度上具有局限性，但由于它的拟输出，在某些应用场合（如低输入速率的定器）具有优点。闭环光纤陀螺仪基本上解决了开在线性度方面的局限性，并且由于它无中心零位工作点的制和数字输出，因而具有更好的标度因数精度和更大的动范围，具有更广阔的应用前景光纤陀螺的主要优是：无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不感；结构简单，零部件少；启动时间短（原理上可瞬间启动）检测灵敏度和辨率极高（可达10-7rad/s）；可直接用字输出并与计算机接口联网；动态范围极宽（约为2000º/s）；寿命长，信号定可靠；易于采用集成光路技术；克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负应；可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感；它的最大的特点是可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有螺仪应用范围。光纤螺的应用范围十分广，从地下到地表，从海上到空中，归纳起来大概有三种基本用法，即定位、姿态控制和绝对方向测量。为了确定飞行器的置，使用FOG作为一个惯性参考，并提供一个方位角（即飞行器的航向）；在姿态控制测量系统中，FOG提供飞行器的倾角；而在绝对方向量中，使用FOG来测量地球的旋转角速率。光纤陀螺北系统是指具备寻北功能的光纤陀螺寻北仪，属于光纤陀螺定位定向导航系统中的寻北分系统。利用光纤陀螺仪测得的地球自转角速度的分量的大小来推算光纤陀螺敏感轴和真北的夹角，以达到找北的目的。光纤陀螺北系统经过很多年的研究和发展，已经形成了一系列基本原理和方法。按照寻北过程中系统是否处于静止状态可以分为静基座寻北方法和动基座北方法。基于光纤陀螺的优越性，国内外很多单位都很重视光纤陀螺北仪的研究。光纤陀螺现在正朝着两个目标努力：一是提高精度，把零偏稳定性降低到0.001º/hr 0.01º/hr，标度因数稳定性提高到优于1×，以满足导航系统要求；另一是降低成本，这对一次性使用的战术武器的制导系统来说尤为重要。在技术上，则都朝