利用分段回归拟合激光陀螺仪零偏测试的Allan方差
第33卷第6期2007年11月光学技术
OPT ICAL T ECHN IQ UE
Vol.33No.6
N ov.2007
文章编号:1002-1582(2007)06-0867-03
利用分段回归拟合激光陀螺
仪零偏测试的Allan方差*
徐怀明,王建,帅必晖,王轲,谢天怀
(中国航天时代电子公司激光惯导项目分公司,北京100039)
摘要:在介绍Allan方差方法的基础上,计算出了激光陀螺仪零偏测试数据的A llan方差。首次利用分段回归方法拟合Allan方差数据,得到了零偏测试中的各误差源系数。结果表明,该方法能有效地辨识出存在于激光陀螺仪零偏测试中的各种噪声,极大地降低了激光陀螺仪Allan方差数据处理的难度。指出了激光陀螺硬件中存在的误差,提出了激光陀螺仪的改进方案。
关键词:激光陀螺;零偏;A llan方差;分段回归;随机误差
中图分类号:TH744.5文献标识码:A
Calculation of Allan variance for the bias test of the ring
laser gyros by using the piecewise regression method
XU Hua-i min g,WANG Jian,SH U AI B-i hui,WAN G Ke,XIE Tian-hu ai
(Br anch Company of L aser Inertia Navigation System of CA T EC,Beijing100039,China) Abstract:On the basis of Allan v ar iance method,the Allan var iance for zero drift signal o f ring laser gyros(RL G)is calcu-lated.I t is the fir st time that the five coefficients o f error sour ce are acquired by using the piecewise regression met hod.T he re-sults show that this method can effectively evaluate the all kinds of no ise in RL G.s drift test and ex tremely r educe the difficulty for data analy zing of Allan variance.T he error par ts in har dware are found.T he scheme to improv e the performance o f RL G is pro posed.
Key words:ring laser g yros;zero dr ift;Allan variance;piecew i se reg ression;random error
1引言
激光陀螺作为高精度的新一代惯性器件,其精度直接决定了陀螺的性能。Allan方差方法最初主要用于确定原子钟的频率波动的功率谱[1],它是在时域上研究振荡器输出稳定性的强有力工具,目前已广泛用于二频机抖激光陀螺误差的分析研究中[2]。Allan方差法能非常容易地对各种误差源及其对整个噪声统计特性的贡献进行细致的表征和辨识,并且噪声的Allan方差与功率谱密度之间存在定量的关系,利用此关系就可以在时域上直接从激光陀螺的输出数据得到该陀螺中各个误差的类型和幅度。
2Allan方差法
设在初始采样时间为S0时可获得N个陀螺仪输出值的初始样本数据,把k个连续数据作为一个
数组,数组的时间长度S=k S0,分别取S=S0,2S0, ,,m S0(m<(N-1)/2),求出在每一个时间长度为S时的数组的数据平均值(数组平均)。定义A-l lan方差为数组平均值的双采样方差,是时间组的函数。
具体地说,既可以定义Allan方差为输出速率
8(t),也可以为输出角度H(t)(可通过测量得到):
H(t)=Q t8(t c)d t c(1)积分下限在此未明确指定,因为在定义中使用的仅是角度差。在离散时间点t=k S0(k=1,2,3,,, N)可得到角度值。相应地可将H k简写为H k= H(k S0)。
在时间t k和t k+S内的平均角速率为
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*收稿日期:2006-10-13E-mail:xhming-cn@https://www.360docs.net/doc/d55834636.html,
作者简介:徐怀明(1976-),男,四川省人,中国航天时代电子公司激光惯导项目分公司工程师,硕士,主要从事激光陀螺仪的设计与应用的研究。
8k(S)=H k+m-H k
S(2)
式中,S=m S0。
定义Allan方差为
R2(S)=1
2
3(8k+m-8k)24
=
1
2S2
3(H k+2m-2H k+m+H k)24(3)
式中34是求整体平均值。
速率Allan方差可由下式得到:
R28(S)=1
2S2(N-2m)E N-2m
k=1
(H k+2m-2H k+m+H k)2
(4)
在频域,平稳随机过程的Allan方差表达式为
R2(S)=4Q]0S8(f)sin4(P f S)
(P f S)2
d f(5)式中,S8(f)为平稳随机过程的功率谱密度(PSD)。
一般情况下,振荡器系统中的各种误差因素的功率谱密度是按照幂率谱分布的,即S8(f)= h A f A,其中-3[A[1,h A为相应幂率谱的系数。因此R2(S)可以表示成如下形式:
R2y(S)=E2L=-2A2L S L L=-A-1(6)式中,A为不同类型噪声的功率谱系数。在计算出对应不同采样周期S的Allan方差R2(S)后,通过分段回归法拟合可以估计出各种噪声特性。
3激光陀螺随机误差源分析
对激光陀螺中出现的随机误差来说,直接从物理意义出发建立其随机误差模型是比较困难的,一般采用噪声的功率谱密度函数来定义。根据文献[2]至文献[5]的分析,在激光陀螺中主要有以下噪声源。
量化噪声是由传感器输出信号的离散化或量化性质造成的,量化噪声代表了传感器的最低分辨率水平。
角随机游走是积分宽带速率PSD的结果,有3个来源:
(1)量子噪声。由于自发辐射,导致两行波频率f cw和f ccw有一波动。
(2)探测器的散粒噪声。
(3)机械抖动。在激光陀螺(RLG)中,量子噪声和抖动随机噪声是主要的。
零偏不稳定性是角速率数据中的低频零偏波动,它来源于RLG中的放电组件、等离子体放电电路噪声或环境噪声,还有其它的可能产生随机闪烁的部件。零偏不稳定性与谐振腔的品质因数Q有关,它与Q-4成正比[6]。
速率随机游走是宽带角加速率PSD积分的结果,它的来源不太确定。一种情况是指数过程的互相关时间非常长,机械陀螺和速率偏频激光陀螺可能会表现出这种噪声项。
速率斜坡本质上是一种确定性误差,不是随机噪声。它在陀螺仪数据中出现,可能是由于RLG光强在长时间内有非常缓慢的单调变化,也可能是由于在同一方向上平台保持非常小的加速度而表现为RLG的真实的输入。
经验表明,大多数情况下不同的噪声项出现在S的不同范围内,这就使得很容易地判识出存在于数据中的不同随机过程。如果假定陀螺的所有噪声都是统计不相关的,则可得到在任何给定S下的Allan方差是相同时间S内上述5种噪声的Allan方差的和,即
R2(S)=R2Q(S)+R2N(S)+R2B(S)+
R2K(S)+R2R(S)(7)对上述5项噪声源的误差系数分别用Q,N, B,K r和R来表示,误差系数的求取可以用分段回归法对式(8)进行拟合:
R2(S)=3Q
2
S2+
N2
S+B
22
P ln2+
K2r
3
S+R
2
2
S2
(8)式中,S=k S0,其中S0为初始采样时间。
将式(6)表述为幂率谱形式,有
R2(S)=E2n=-2A2n S n(9) 4拟合算法
对激光陀螺在不同采样周期S时所得到的A-l lan方差噪声特性来说,由前面的分析表明,在不同的频率范围内起主要作用的噪声也不同,也就是说在某一频率区间内,只有一种噪声起决定作用。由此特性可以在不同S的范围内采用已知的主要噪声特性进行数据拟合,从而求出噪声系数。可具体表述为:首先通过观测确定该段Allan方差中只含两种噪声;然后在分界点附近用观测得到的噪声类型决定的函数形式对Allan方差数据进行最小二乘拟合,从而得到噪声系数。对其它频率段应用相同方法可得各个频率段的噪声系数,即分段回归[5]。
Allan方差由几段组成,每一段都是y2=
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光学技术第33卷
a 2x A (A =-2,-1,0,1,2)的形式。用最小二乘法思想对每一段进行数据拟合,即在每一段要求误差平方和最小。因此拟合误差平方和为
E =
E i
[R 2
(S i )-a 2x A i ]
2
(10)
选择合适的a 2,使上面的误差最小,即
d E d a 2=-2E i
x A i [R 2(S i )-a 2x A
i ]=0(11)
解式(11)得
a 2=
E i
x A
i R 2/E i
x 2A i (12)
利用此方法可得每一区间的噪声系数a 2,从而由式(9)可得到每个区间的噪声系数。
量化噪声系数:Q =A -2/3(单位为s
-1
)
角随机游走系数:N =A -1/60(单位为度/h)零偏稳定性:B =A 0/0.6648(单位为度/h)速率随机游走系数:K r =603A 1(单位为度/h 3/2)
速率斜坡系数:R =36002A 2(单位为度/h 2
)。
5 测试结果及Allan 方差分析
影响激光陀螺性能的主要因素包括温度变化和温度场分布不均匀、光路变化的影响、分离元件的热
效应。在这些误差因素的综合作用下,在激光陀螺的输出中包含有随时间缓慢变化的趋势项,可以通过建模滤波的方法处理。而基于Allan 方差的分析方法则是对扣除这些趋势项后的数据进行处理。在室温条件下,将激光陀螺安装在隔震台上,通电工作直至输出稳定后开始采样,得到2h 的零偏采样数据,原始采样时间为1s,每10s 记录一个输出脉冲的均值。
为了验证Allan 方差对激光陀螺误差的表征,按上述条件测试得到两个不同精度的激光陀螺的两组零偏数据,利用国家军标GJB 2427-95计算了其零偏稳定性[8]。图1、图2、图3和图4
分别给出了Allan 方差及其分段回归拟合曲线。
图1 陀螺1测试一的Allan 方差曲线
图2 陀螺1测试二
的A llan 方差曲线
采用每次测试数据的Allan 方差分段回归拟合
结果所算出来的各项误差系数如表1所示,其中B 0项为按GJB 2427-95
计算得到的该测试的零偏稳定性。
图3 陀螺2测试一的Allan 方差曲线
图4 陀螺2测试二
的Allan 方差曲线
表1 激光陀螺A llan 方差法误差系数
误差源系数陀螺1(测试一)陀螺1(测试二)陀螺2(测试一)陀螺2(测试二)Q /s -10.32890.36660.28670.2695N (度/h )0.0005760.0006770.0007460.000581B (度/h)0.0013110.0013620.0037620.0026K r (度/h 3/2)0.0022310.0022600.0093930.008392R (度/h 2)
0.0026470.0019860.0070420.011942B 0(度/h)
0.0041
0.0046
0.0076
0.0082
由图1、图2、图3、图4和表1可得,估计出的最
大误差源为量化噪声。由图可知,在第1段的Allan 方差开始部分与拟合曲线的一致性不好。在图2中的第o段和第?段的结合处有一段曲线不同于角随机游走和零偏不稳定性,可能是由于其它噪声引起的,比如相关噪声(Markov)。在图3的第?段和第?段结合处有一段平滑直线,可能还有在表1中没有考虑到的零偏不稳定性引起的噪声,因此表1中的陀螺2测试一的零偏不稳定性大于测试二,而测试一的GJB 零偏稳定性小于测试二。
6 结 论
对同一个陀螺来说,通过Allan 方差法分段回归拟合得到的零偏不稳定性与由GJB2427-95计算的零偏稳定性基本对应,对陀螺漂移影响最大的为量化噪声。由此可知,所用激光陀螺的电路和数据采集系统存在较大的噪声,需要作进一步的改进;零偏不稳定性变化较大,说明每个陀螺谐振腔品质的一致性不好,因此腔体的一致性有待进一步提高;速率随机游走对激光陀螺精度影响较大,但不能确定来源;速率斜坡对陀螺精度也有一定的影响,可采用稳定性更高的激光陀螺高压电源激励;角随机游走系数较小且变化不大,说明抖轮特性较稳定,陀螺精度较高。(下转第874页)
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第6期徐怀明,等: 利用分段回归拟合激光陀螺仪零偏测试的A llan 方差
其它诸如在材料绝缘属性,如厚度、折射率以及双折射率等的测量方面,数字全息显微技术都已有了重要的应用[17]。
国内如上海大学[21]、西北工业大学[22]也已开展了数字显微全息技术的分析和研究。
6结论
本文综述了数字显微全息技术的发展、关键技术以及最新的应用。
通过数字显微全息技术可获得的三维相位信息。其中相位信息的再现、误差抑制、如何提高横向分辨率以及动态监测是实际应用中需要重点研究的问题:
(1)准确的再现相位信息主要是通过完善再现算法来实现的。
(2)利用合适的算法或合理的光路布局可抑制系统误差。
(3)采用高倍物镜可提高数字显微全息技术的横向分辨率,但会缩小其测量视场。本文建议采用数字显微全息拼接技术,即结合光学拼接技术,可解决数字全息显微技术中横向分辨率与视场之间的矛盾。
(4)CCD快速的采集速度、系统的稳定性以及合理的选择激光光源是提高数字显微全息技术动态监测性能的重要保证。
研制实现数据采集、分析、数值重构、显示一体化的商品化产品是数字显微全息技术得以更好应用和推进的重要途径。鉴于我国的发展和市场需要,若能研制具有自主知识产权的基于数字全息技术的测量仪器,则将具有非常积极的现实意义和经济价值。
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光学技术第33卷
陀螺仪技术测试用题
测试用题，请勿“题字”。用后收回。谢谢！ 一、 （20分）以下每题各有四个答案，选择正确的答案，每题5分。 (1) 设自由陀螺的角动量为H ，已知进动角速度ω，陀螺力矩为M ，下列表示三者 之间关系的表达式正确的是（ ） （A ）H M ω=? ；（B ）M H ω=?； （C ）H M ω=? ；（D ）M H ω=? (2) 采用伺服跟踪法进行单自由度陀螺测漂，转台轴沿当地垂线方向，地球自转角速度 15/ie h ω=?，当地纬度为30?，测得转台转速为4 3.0210 -?转/分，则陀螺漂移速 度约为（传动比是1∶1）（ ） （A ）0.067 /h ；（B ）0.55/h ；（C ）1.57/h ；（D ）（A ）、(B)、(C)均错； (3) 干涉式光纤陀螺光纤长1500m ，成环半径4c m ，光纤环法向角速度 1.5/h Ω=?，光波长为1580nm 。则由Sagnac 效应引起的相位差近似为（ ） （A ）4 7.9510-?（） ；（B ）0.114（）；（C ）4 3.1410-?（）；（D ）(A)、(B)、(C) 均错； (4) 动量矩定理的向量表达式为（ ） （A ） n b nb d R d R R dt dt ω=+? ；（B ） b ib d H M H dt ω=?+ ；（C ） b n nb d R d R R dt dt ω=+?；（D ）i o o d H M dt = 二、（10分）说明运动地理坐标系相对惯性空间旋转的原因，给出该旋转角速度在地理 坐标系上的分量。 三、（20分）已知坐标系b b b ox y z （b 系）与n n n ox y z （n 系）初始时重合，b 系是 n 系以转动顺序x y z →→，转角分别为α、β 、γ得到的。试：（1）求方向余 弦矩阵n I C ，b n C 和n b C ；（2）写出b 系相对n 系的瞬时角速度在b 系上的投影表达式；（3）若向量ω在b 系中的表示为T b x y z ω ωωω??=?? ，求该向量在I I I ox y z 中 的表示I ω和n n n ox y z 中的表示n ω。 五、（10分）写出单自由度陀螺的技术方程，画出其传递函数方框图；求出当初始条件为零、输入角速度1()()t t ω δ=+时积分陀螺的响应。 六、（20分）已知二自由度陀螺技术方程为x x Y Y J H M J H M βααβ?+=?-=?，且x Y J J <。试证 明当陀螺仅受到沿内环轴幅值为 A 的脉冲力矩作用时，陀螺瞬态响应曲线（βα-曲 线）为椭圆，并给出椭圆中心坐标及长短半径；求出当() 1() x Y M t M t δ=??=? 时的响应 )(),(t t βα。 （初始条件为零）。
陀螺仪主要性能指标(优.选)
常见的陀螺仪性能指标与解释 零偏 零偏，又称为零位漂移或零位偏移或零偏稳定性，也可简称零漂或漂移率，英文中称为drift或bias drift。零偏应理解为陀螺仪的输出信号围绕其均值的起伏或波动，习惯上用标准差（σ）或均方根（RMS）表示，一般折算为等效输入角速率(°/ h)。在角速度输入为零时，陀螺仪的输出是一条复合白噪声信号缓慢变化的曲线，曲线的峰-峰值就是零偏值（drift），如图2-6所示。在整个性能指标集中，零偏是评价陀螺仪性能优劣的最重要指标。 分辨率 陀螺仪中的分辨率是用白噪声定义的，如图2-6 中所示，可以用角随机游走来表示，可以简化为一定带宽下测得的零偏稳定性与监测带宽的平方根之比，其单位为，或简化为。角度随机游走表征了长时间累积的角
度误差。角随机游动系数反映了陀螺在此处键入公式。的研制水平，也反映了陀螺可检测的最小角速率能力，并间接反映了与光子、电子的散粒噪声效应所限定的检测极限的距离。据此可推算出采用现有方案和元器件构成的陀螺是否还有提高性能的潜力。 标度因子 标度因子是陀螺仪输出量与输入角速率变化的比值，通常用某一特定的直线斜率表示，该斜率是根据整个正(或负)输入角速率范围内测得的输入/输出数据，通过最小二乘法拟合求出的直线斜率。对应于正输入和负输入有不同的刻度因子称为刻度因子不对称，其表明输入输出之间的斜率关系在零输入点不连续。一般用刻度因子稳定性来衡量刻度因子存在的误差特性，它是指陀螺在不同输入角速率情况下能够通过标称刻度因子获得精确输出的能力。非线性往往与刻度因子相关，是指由实际输入输出关系确定的实际刻度因子与标称刻度因子相比存在的非线性特征，有时还会采用线性度，其指陀螺输入输出曲线与标称直线的偏离程度，通常以满量程输出的百分比表示。 动态范围 陀螺在正、反方向能检测到的输入角速率的最大值表示了陀螺的测量范围。该最大值除以阀值即为陀螺的动态范围，该值越大表示陀螺敏感速率的能力越强。
陀螺仪基本原理
陀螺仪介绍2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
2013-1-28 1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault ）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子 （rotor ），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro （旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。
?最初的陀螺仪主要用于航海，起稳定船体的作用，此时主要是二维陀螺仪； ?后在航空、航天领域开始广泛的应用。用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示 陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。在这些应用中都是三维陀螺仪； ?另外，在军事领域，陀螺仪也发挥着重要作用，例如炮弹的旋转、导弹的惯性导航系统，以提高击中－杀伤比 ?最开始用于航海、航空、航天的陀螺仪都是机械式的，到了现代，主要可以分为压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激 光陀螺仪，现代陀螺仪在结构上已不具备“陀螺”，只是在功能上 与传统的机械陀螺仪同样罢了 2013-1-28
2013-1-28 现在广泛使用的MEMS （微机械）陀螺可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS 陀螺相比传统的陀螺有明显的优势： 1、体积小、重量轻，适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等； 2、低成本； 3、更高可靠性，内部无转动部件，全固
最全的陀螺仪基础知识详解
最全的陀螺仪基础知识详解 陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。 一、陀螺仪的名字由来 陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证，1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。 最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度。 其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。 二、陀螺仪的基本组成 当前，从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 陀螺仪的基本部件有：陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）；内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。 三、陀螺仪的工作原理 陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。 台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
光纤陀螺仪指标 国军标
光纤陀螺仪测试方法 1范围 本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB321-1980优先数和优先系数 CB998低压电器基本实验方法 GJB585A-1998惯性技术术语 GJB151军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求 3术语、定义和符号 GJB585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。
3.1术语和定义 3.1.1干涉型光纤陀螺仪interferometric fiber optic gyroscope 仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。 3.1.2陀螺输入轴input axis of gyro 垂直于光纤环圈等效平面的轴。当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。 3.1.3标度因数非线性度scale factor nonlinearity 在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。 3.1.4零偏稳定性bias stability 当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
三轴陀螺仪mpu6050测试程序
InvenSense公司的三轴陀螺仪MPU6050测试程序。IIC接口，51单片机驱动，LCD1602同步显示。 硬件原理图 //**************************************** // MPU6050 IIC测试程序 // 使用单片机STC89C52 // 晶振：11.0592M // 显示：LCD1602 // 编译环境Keil uVision2 // 参考宏晶网站24c04通信程序 // 功能: 显示加速度计和陀螺仪的10位原始数据 // 时间：2013年3月1日 //**************************************** #include
sbit LCM_RS=P2^0; //LCD1602命令端口 sbit LCM_RW=P2^1; //LCD1602命令端口 sbit LCM_EN=P2^2; //LCD1602命令端口 //**************************************** // 定义MPU6050内部地址 //**************************************** #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz) #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_YOUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x41 #define TEMP_OUT_L 0x42 #define GYRO_XOUT_H 0x43 #define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45 #define GYRO_YOUT_L 0x46 #define GYRO_ZOUT_H 0x47 #define GYRO_ZOUT_L 0x48 #define PWR_MGMT_1 0x6B //电源管理，典型值：0x00(正常启用) #define WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读) #define SlaveAddress 0xD0 //IIC写入时的地址字节数据，+1为读取 //**************************************** //定义类型及变量 //**************************************** uchar dis[4]; //显示数字(-511至512)的字符数组 int dis_data; //变量 //int Temperature,Temp_h,Temp_l; //温度及高低位数据 //**************************************** //函数声明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延时 //LCD相关函数 void InitLcd(); //初始化lcd1602 void lcd_printf(uchar *s,int temp_data); void WriteDataLCM(uchar dataW); //LCD数据
陀螺仪的测试
SUCCESS BELONGS TO THE ONE WITH CLEAR AND LONG-TERM GOALS! 电子陀螺仪的角度获取测试 2013-06-07 16:11 by DarkHorse, 111 阅读, 0 评论, 收藏, 编辑 导航中经常用到电子陀螺。为了测试陀螺仪在静止下的零漂输出和运动情况下的输出角度值，做了2个实验。用的陀螺仪型号是：L3G4200DTR 是一个三轴输出的MEMS电子陀螺。 1 零漂测试 让陀螺仪静止不动，运行5分钟，记录串口输出数据，并解析出三个轴的角速度值。在matlab里面进行仿真。 function main clc; clear; dataFile = input('put file: ','s'); nCount = 0; fileHandle = fopen(dataFile,'r');
while ~feof(fileHandle) string = fgetl(fileHandle); nCount = nCount + 1; end nCount = nCount-2; frewind(fileHandle); i = 1; while ~feof(fileHandle) string = str2num(fgetl(fileHandle)); zData(i) = string(3); i = i + 1; if i > nCount break; end end fclose(fileHandle); figure(1); plot(zData,'b-'); hold on; meanZData = mean(zData); title('原始Z轴输出数据'); xlabel('ms'); ylabel('dps(degree per second)'); text(3500, 1.2, ['mean=',num2str(meanZData)]); figure(2); newData = runge_kutta_intergration(zData); plot(newData); xlabel('ms'); ylabel('degree'); title('积分输出的角度'); function newData = runge_kutta_intergration(rawData) samplePeriod = 0.1;%%100ms size = length(rawData); i=1; while (i <= size) %%%%%简单的积分累加获取角度 if(i == 1) Data(i) = rawData(i); else
陀螺仪的工作原理
陀螺仪的工作原理 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
光纤陀螺仪测试方法
光纤陀螺仪测试方法 1 范围 本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB 321-1980 优先数和优先系数 CB 998 低压电器基本实验方法 GJB 585A-1998 惯性技术术语 GJB 151 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求 3 术语、定义和符号 GJB 585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。
3.1 术语和定义 3.1.1 干涉型光纤陀螺仪 interferometric fiber optic gyroscope 仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。 3.1.2 陀螺输入轴 input axis of gyro 垂直于光纤环圈等效平面的轴。当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。3.1.3 标度因数非线性度 scale factor nonlinearity 在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。 3.1.4 零偏稳定性 bias stability 当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
基于89c52单片机陀螺仪mpu6050测试程序
君悦的三轴陀螺仪MPU6050测试程序。IIC接口，51单片机驱动，LCD1602同步显示。 硬件原理图 //**************************************** // MPU6050 IIC测试程序 // 使用单片机STC89C52 // 晶振：11.0592M // 显示：LCD1602 // 编译环境Keil uVision2 // 参考宏晶网站24c04通信程序 // 功能: 显示加速度计和陀螺仪的10位原始数据 // 时间：2013年3月1日 //**************************************** #include
//**************************************** #define DataPort P0 //LCD1602数据端口 sbit SCL=P1^0; //IIC时钟引脚定义 sbit SDA=P1^1; //IIC数据引脚定义 sbit LCM_RS=P2^0; //LCD1602命令端口 sbit LCM_RW=P2^1; //LCD1602命令端口 sbit LCM_EN=P2^2; //LCD1602命令端口 //**************************************** // 定义MPU6050内部地址 //**************************************** #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz) #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_YOUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x41 #define TEMP_OUT_L 0x42 #define GYRO_XOUT_H 0x43 #define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45 #define GYRO_YOUT_L 0x46 #define GYRO_ZOUT_H 0x47 #define GYRO_ZOUT_L 0x48 #define PWR_MGMT_1 0x6B //电源管理，典型值：0x00(正常启用) #define WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读) #define SlaveAddress 0xD0 //IIC写入时的地址字节数据，+1为读取 //**************************************** //定义类型及变量 //**************************************** uchar dis[4]; //显示数字(-511至512)的字符数组 int dis_data; //变量 //int Temperature,Temp_h,Temp_l; //温度及高低位数据 //**************************************** //函数声明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延时 //LCD相关函数
光纤陀螺仪测试规范
光纤陀螺仪测试规范 1范围 本方案规范了光纤陀螺的技术要求、质量保证和交货准备等方面的要求，以及相应的测试条件、测试项目、测试方法、测试程序，适用于在航海、航空、航天及陆用等惯性技术领域中应用的陀螺仪的设计、制造及检验。 2 测试条件与测试设备 2.1测试条件 2.1.1 环境条件 2.1.1.1 大气条件 标准大气条件如下: 环境温度：23℃±2℃ 相对湿度：20%～80% 大气压力：86KPa ~ 106KPa 5 测试主要项目 5.1.1 光纤陀螺在室温环境下性能 a) 标度因数； b) 标度因数非线性度； c) 标度因数不对称度； d) 标度因数重复性。 5.1.2 零偏 a) 零偏； b) 零偏稳定性； c) 零偏重复性（逐次、逐日）。 5.1.3 阈值 5.1.4 随机游走系数 5.2 振动环境性能 5.3 冲击试验 5.4 标度因数、零偏、零偏稳定性与环境温度项目综合测试 a) 标度因数温度灵敏度；
b) 零偏温度零敏度； c) 陀螺启动时间； d) 温度梯度对陀螺零偏的影响。 6 测试方法 6.1 标度因数 6.1.1 标度因数数值 6.1..1.1 测试设备 a) 具有角度输出的速率位置转台（速率平稳度优于5×10-3，测量范围大于±0.001°/s ~ ±500°/s ）； b) 陀螺输出测试和记录装置； c) 陀螺测试专用工装夹具。 6.1.1.2 测试程序 陀螺仪通过安装夹具固定在速率转台上。在输入角速率范围内，按GB321规定的R5系列，适当圆整，均匀删除后选取输入角速率，在正转、反转方向输入角速率范围内，分别不能小于11个角速率档，包括最大输入角速率。当速率平稳时进行测试。程序如下： a) 转台加电，设定转台的转动角速度、速率值和转动方向，接通陀螺仪电源，预热一定时间。转台输入角速率按从小到大的顺序改变，转台正转测试陀螺仪输出，停转；转台反转，测试陀螺仪输出停转； b) 设定采样间隔时间为1S 及采样次数，测试陀螺仪测试陀螺仪输出量，求得该输入角速率下陀螺仪输出的平均值； 6.1.1.3 计算方法 设j F 为第j 个输入角速度时光纤陀螺仪输出的平均值，标度因数绝对值计算方法见公式: j F = 1 N 1 N jp p F =∑ (1) 式中： j F —陀螺仪第P 个输出值，N —采样次数。 转台静止时陀螺输出的平均值为： 1 ()2r s e F F F =+ (2) 式中： s F —测试开始时，陀螺仪输出的平均数值； e F —测试停止时，陀螺仪输出的平均数值。
MEMS激光陀螺仪综述详解
MEMS激光陀螺仪综述姓名：赵琬婷学号：22013305
1.陀螺仪的发展简史 陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。 2、激光陀螺仪概述 现代陀螺仪是一种能够精确的定位运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了许多方面的制约。 3、激光陀螺仪的原理及分类 3.1激光陀螺仪的原理 激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。 3.2激光陀螺仪的分类 激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的