专利名称：一种光纤陀螺温度补偿的方法
技术领域：
本发明涉及一种对光纤陀螺输出精度进行温度补偿的方法。
背景技术：
光纤陀螺作为一种基于萨格奈克(Mgnac)效应的新型角速度传感器，属纯光学、 静止性陀螺，从本质摆脱了转子陀螺的范畴，具有无转动部件的全固态结构，可靠性高，抗 冲击和抗加速度能力强，启动时间短，动态范围宽，功耗低，体积小，质量轻等优点。随着各 项关键技术的成熟，光纤陀螺作为重要的角速率传感器在导弹控制、飞机导航、大地测量等 众多领域起着关键作用。光纤陀螺的精度容易受到许多环境因素的限制，其中最主要的是由于温度变化引 起的热非互易效应的影响。当环境温度变化时，光纤陀螺的传感器线圈内各处的温度随之 以不同的速度在变化。光纤陀螺传感器线圈内各部分的折射率等参数也相应在变化。所 以当互逆光在不同的时刻通过光纤陀螺的传感器线圈中的同一段光纤时，所经历的光程不 同，相位改变也不同。这样，即使被测对象没有转动，由于温度的变化，互逆光之间也存在相 位差，由此引入了误差，严重限制了光纤陀螺的精度。目前在国内多采用加入温度补偿电路 来解决这一问题，而加入温度补偿电路后由于收硬件的影响，使光纤陀螺的启动时间较长， 国内大部分都在2秒左右才能进入工作状态。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤陀螺温度补偿的方法，以实现大 大缩短光纤陀螺的启动时间的目的。本发明提供的一种光纤陀螺温度补偿的方法，包括步骤A、对光纤陀螺进行温度值测量并采集；B、将所述温度值带入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的角速度修正运算，求得所述各轴 的角速度修正值；C、根据所述各轴的角速度修正值计算出光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的温度补偿值。由上可以看出，上述方法实现了对光纤陀螺输出精度进行温度补偿。上述的方法，其特征在于，步骤B所述修正运算为将温度值被耦合后产生定义温 度的字符串根据航姿系统的硬件通讯协议向左进行移位运算后与光纤陀螺各轴的标度因 数相乘，得到光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的角速度修正值。由上可以看出，通过将温度值转化格式后参与光纤陀螺各轴角速度修正，可以很 好的补偿温度对光纤陀螺各轴角速度的影响。上述的方法，其特征在于，步骤C所述计算包括公式Navint = fog_xl X 100000. 0 ；(Navint+1) = fog_ylX100000. 0 ；
(Navint+2) = fog_zlX100000. 0 ；Xw = Ifog_x2_NavintI ；Yw = |fog_y2-(Navint+l) | ；Zw = I fog_z2-(Navint+2) | ；fog_xf = fog_xl+Xw ；fog_yf = fog_xl+Yw ；fog_zf = fog_xl+Zw ；其中，f0g_xl、f0g_yl和fog_zl分别是X轴、Y轴和Z轴的初始角速度值，fog_x2、 fog_y2和fog_z2分别是X轴、Y轴和Z轴的角速度修正值，Navint、Navint+Ι和Navint+2 分别是X轴、Y轴和Z轴的零点值，\、Yw和Zw分别为X轴、Y轴和Z轴的温度补偿值，fog_ Xf> fog_yf和f0gjf分别为X轴、Y轴和Z轴经温度补偿后的角速度值。由上可以看出，通过上述公式计可以较为简单地算出光纤陀螺各轴零点值，并根 据各轴零点值可以快速地求得经温度补偿后光纤陀螺各轴的角速度补偿值。经修正后的角 速度得到温度补偿，提高了光纤陀螺输出精度。


图1为本方明光纤陀螺温度补偿方法的工作流程图；图2为本发明光纤陀螺温度补偿方法的数字温度计内部结构图；图3为本发明光纤陀螺温度补偿方法的FPGA与DSP的接口结构图。
具体实施例方式本发明实施例考虑到航姿系统位置空间有限，且功耗要低，采用了 Dallas Semiconductor公司推出的单总线芯片数字温度计(1-ffireDigital Thermometer) DS18B20，如图2所示，DS18B20为一线制器件。本发明方法的高效实现，与其实施在一个高 效率计算机平台上密不可分。在本实施例中，为了能够显著提高光纤陀螺的性能，作为与 DS18B20数据通信的主设备，如图3所示，采用了 DSP加FPGA结构的导航计算机，即DSP作 为导航算法和航姿系统控制的处理器，一块大容量FPGA集成系统所有I/O功能。高速浮点 DSP芯片用于运算和航姿系统控制，大容量FPGA实现外围输入输出接口，如多串行口、数据 采集缓存等硬件电路，使数据采集和数据通信等I/O任务由FPGA实现，从而使DSP专注于 复杂算法的运算。根据基于DSP加FPGA的导航计算机方案，FPGA作为DSP的协处理器，应设在DSP 的外部存储单元OBOOOOOh-OBFFFFFh，负责与DS18B20的接口电路设计和温度数据采集。下面结合图1、2、3对本发明光纤陀螺温度补偿的方法进行详细地介绍。步骤101 对光纤陀螺进行温度值测量，并将通过测量采集到的温度值通过温度 传感器接口保存在高速暂存器203中。如图2所示，DS18B20主要由温度传感器202，高温触发器204、低温触发器205和 配置寄存器206等组成。DS18B20只要通过DQ201数据线发送一次测温的命令，并正确接收 到命令字节后，该数字温度计会通过使用内置的温度传感器202进行一次温度测量，得到 的温度值以两个字节的形式进入到高速暂存器203，当用户需要读出温度值时，发送读取温度命令，通过DQ201数据线读出。步骤102 =DSP读取高速暂存器203中的上述温度值，通过温度值参与光纤陀螺三 轴(X轴，Y轴和Z轴)的运算，修正光纤陀螺轴各自的角速度。首先，根据前级硬件(FPGA)特点，对由温度传感器202采集来的温度值进行耦合 产生定义温度的字符串，并采用以下公式进行数据处理，实现温度对三轴角速度影响的可 运算公式。fog_x2 = -((fog
<< 24 I (fog[l] << 16 (fog [2] << 8) )/256 X 标度因 数；fog_y2 = ((fog[3] << 24 (fog[4] << 16 (fog[5] << 8))/256X 标度因数；fog_z2 = -((fog [6] << 24 I (fog [7] << 16 (fog [8] << 8) )/256 X 标度因 数；其中，fog_x2为X轴角速度修正值；fog_y2为Y轴角速度修正值；fog_z2为Z轴 角速度修正值；标度因数是指光纤陀螺输出量与输入角速率的比值，是根据整个输入速率 范围内侧得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求出的直线的斜率，由该拟合直线得出的 标度因数，作为使用提供数值依据。标度因数的精度直接影响光纤陀螺的精度。本实施例 中的标度因数是通过常规的标度因数实验获得。上述公式中，温度值被耦合后产生定义温度的字符串(fog[n]，n = 9)向左移动相 应的位数；将通过移位运算后得到的数据的后四位不参与温度补偿运算的无效数据移除， 使其数据格式满足本实施例航姿系统中的硬件通信协议；接着根据硬件通信协议除以256 得到每个光纤陀螺的三轴角速度与温度值的关系，并乘以用于减小误差的、起加权系数作 用的标度因数，来减少三轴间的相互影响。由此得出与光纤陀螺输出矩阵相同量级的三轴 的角速度修正值。步骤103 定义三轴的零点值，即，将三轴的初始角速度值各乘以固定系数，如以 下公式，并将由步骤102计算得出的三轴的角速度修正值与所述零点值进行比较计算得出 三轴各自的温度补偿值。Navint = fog_xl X 100000. 0 ；(Navint+1) = fog_ylX100000. 0 ；(Navint+2) = fog_zlX 100000. 0 ；其中，f0g_xl、f0g_yl和fog_zl分别是X轴、Y轴和Z轴的初始角速度值，将fog_ xl>fog_yl和fog_zl分别与系数100000. 0(通过实验获得)相乘，求得用于和步骤102计 算得出的三轴的角速度修正值进行比较的零点值(常温)Navint、Navint+1和Navint+2， 即Navint、Navint+1和Navint+2分别是X轴、Y轴和Z轴的零点值。Xw = Ifog_x2-Navint| ；Yw = I fog_y2-(Navint+1) | ；Zw = I fog_z2-(Navint+2) | ；fog_xf = fog_xl+Xw ；fog_yf = fog_xl+Yw ；fog_zf = fog_xl+Zw ；其中，Xw、Yw和Zw分别为X轴、Y轴和Z轴的温度补偿值；fog_xf、fog_yf和fog_zf分别为X轴、Y轴和Z轴经温度补偿后的角速度值。在常温状态下(通常以光纤陀螺所处环境温度为准)，将从步骤102中计算得到的 三轴的角速度修正值与零点值进行比较，即所述三轴的角速度修正值与各自的零点值进行 减法计算求得差的绝对值，即温度补偿值。最后将各轴的温度补偿值与各轴的初始角速度 值相加，得到修正后的角速度值，并输出该角速度值至姿态矩阵，由姿态矩阵实现根据上述 修正后的三轴角速度值进行导航参数、姿态和方位的计算。姿态矩阵通常由四元数法解算。求解四元数微分方程虽然求解方程的个数比欧拉 角多一个，但在进行数值积分求解时只需进行加减法和乘法运算，求解的计算量要比欧拉 角法少得多。与方向余弦法比较，则具有所求参数少，计算量小，计算精度高、高可避免奇异 性、无歪斜误差、可以全姿态工作等优点而得到广泛应用的特点。通过本发明的温度补偿方法，实现了硬件上电后，光纤陀螺启动时间由通常的2 秒缩短到0. 02秒，可以迅速达到工作温度，进行光纤陀螺的采集。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光纤陀螺温度补偿的方法，其特征在于，包括步骤A、对光纤陀螺进行温度值测量并采集；B、将所述温度值带入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的角速度修正运算，求得所述各轴的角 速度修正值；C、根据所述各轴的角速度修正值计算出光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的温度补偿值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述修正运算为将温度值被耦合 后产生定义温度的字符串根据航姿系统的硬件通讯协议向左进行移位运算后与光纤陀螺 各轴的标度因数相乘，得到光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的角速度修正值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述计算包括公式 Navint = fog_xlX100000. 0 ；(Navint+1) = fog_ylX100000. 0 ； (Navint+2) = fog_zlX100000. 0 ； Xw = Ifog_x2-Navint| ； Yw = fog_y2-(Navint+1) | ； Zw = Ifog_z2-(Navint+2)| ； fog_xf = fog_xl+Xw ； fog_yf = fog_xl+Yw ； fog_zf = fog_xl+Zw ；其中，fog_Xl、fog_yl和fog_zl分别是X轴、Y轴和Z轴的初始角速度值，fog_X2、fog_ y2和fog_z2分别是X轴、Y轴和Z轴的角速度修正值，Navint, Navint+Ι和Navint+2分 别是X轴、Y轴和Z轴的零点值，Xw, Yw和Zw分别为X轴、Y轴和Z轴的温度补偿值，fog_xf、 fog_yf和fogjf分别为X轴、Y轴和Z轴经温度补偿后的角速度值。
全文摘要
本发明提供的一种光纤陀螺温度补偿的方法，包括步骤对光纤陀螺进行温度值测量并采集；将所述温度值带入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的角速度修正运算，求得所述各轴的角速度修正值；根据所述各轴的角速度修正值计算出光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的温度补偿值。从而实现缩短光纤陀螺的启动时间。
文档编号G01C19/72GK102135428SQ201010101009
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者张宪龙 申请人:北京三驰科技发展有限公司