陀螺稳定控制系统的算法设计
陀螺稳定控制系统的算法设计[20200419155303]
摘 要
近年来，随着海上探测和科研活动的增多，各国对高精度跟踪平台的需求也日益迫切，对陀螺稳定控制系统的研究不仅为海上活动提供便利，还具有重要的军事意义。尤其是稳定控制系统中的敏感元件陀螺仪，在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。
本文详细分析了陀螺信号中产生漂移误差的原因，针对陀螺漂移问题建立相应的算法模型。然后,在算法模型的基础上分别采用卡尔曼滤波算法和小波去噪算法对陀螺信号进行滤波处理，并在MATLAB中对陀螺输出数据进行仿真分析。最后再结合整个系统对卡尔曼滤波算法和小波去噪算法进行调试分析，结果表明卡尔曼滤波算法在实际应用中相对简单且滤波效果较好。
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关键字:陀螺仪陀螺漂移卡尔曼滤波小波去噪
Key words：Gyro ;Gyro drift; Kalman filter ;Wavelet Analysis目 录
1.引言 1
1.1 本课题的研究背景及意义1
1.2 国内外的现状2
1.2.1 稳定平台的发展2
1.2.2 陀螺及其处理研究2
1.3 本文主要研究内容3
2.陀螺漂移误差的分析4
2.1 单自由度陀螺模型分析4
2.2 陀螺的漂移误差8
2.3 本章小结11
3.陀螺算法模型建立12
3.1 陀螺随机漂移的概述及概率统计12
3.2 陀螺随机漂移率的测取12
3.3 数学模型的建立14
3.4 本章小结20
4.陀螺算法分析及仿真20
4.1 陀螺单轴稳定平台的传递函数21
4.2 陀螺漂移的卡尔曼滤波22
4.2.1卡尔曼滤波器的设计22
4.2.2滤波器性能的检验23
4.3 小波去噪分析25
4.3.1 小波去噪原理25
4.3.2 小波阈值去噪法32
4.3.3 小波去噪的MATLAB仿真28
4.4本章小结30
5.算法运行调试分析31
5.1 程序载入及通讯31
5.2 整体运行32
5.3 卡尔曼去噪分析39
5.4 小波去噪分析36
5.5 本章总结38
6.总结与展望37
参考文献38
附 录39
致 谢41
1.引 言
1.1 本课题的研究背景及意义
陀螺作为稳定平台的主要元件，它输出的信号精度影响整个系统的稳定精度。在现代的国防建设中，它被广泛应用在目标追踪和导弹制导中，对它的精度也有很高的要求。同时，它也可以精确确定的物体的运行方向和状态的改变，它的发展状况是体现一个国家工业水平以及国防建设科技水平的重要指标。最初的陀螺是利用机械原理制作的惯性陀螺仪，它对机械工艺水平有着很高的要求，然而陀螺精度还是不高，在很大程度上仍受到工艺水平的制约。当现代光纤陀螺的基本设想被提出后，现在陀螺仪进入了一个全新的发展阶段，在现代工业、国防等科技领域得到广泛的应用。
在机载SAR雷达技术理论和技术分析中，稳定平台的主要目的是隔离舰载机的扰动，使天线波束指向的稳定，消除舰载机的航向和姿态变化的影响[1]。而像舰载搜索雷达稳定平台伺服控制系统，在克服船舶摇摆，保持雷达天线水平，具有十分重要的意义[2]。
在机载光电侦察、测量设备的控制系统中，经常要用到光电传感器对目标进行侦查，从而实现对目标的捕获，跟踪和测量。陀螺稳定平台是侦查稳定控制系统中的主体设备，保证光电视轴可见光的稳定性，红外摄像机和激光测距仪系统通常都安装有用于隔离载体的振动稳定平台，这样克服了载体姿态变化的影响跟踪系统上，在控制指令的驱动下，可以有效的完成对目标侦查和追踪。另外空间遥感探测和水下声纳场合，如深海作业，稳定跟踪平台已被广泛应用[3]。
在机载光电侦察、测量等设备的控制系统中，常常要将光电传感器的视轴精确指向目标，以完成对目标的捕获、跟踪及测量。陀螺稳定平台是保证视轴稳定的主要装置，可见光电视、红外摄像系统以及激光测距仪等一般安装在稳定平台上，平台用于隔离载体的振动，并克服载体姿态变化对跟踪系统的影响，同时要在控制指令的驱下，完成对目标捕获和跟踪。在航空侦察摄影观测设备、机载目标指示器、空间遥感探测和海底声纳探测等深海作业场合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用。
综上表明，稳定控制系统在军事和民用等方面都有着极其重要的作用。随着国防武器装备水平的发展，及其科技水平的提高。对陀螺稳定系统的精确性和信号传递的实时性，都有更高的要求。
本课题以“集图像采集功能的新型3G网络环境监测小型浮标研制”项目为背景，将陀螺稳定平台中的陀螺仪作为分析研究对象，以提高陀螺稳定平台工作精度为目标。
近年来，随着海上探测和科研活动的增多，各国对高精度跟踪平台的需求也日益迫切，对陀螺稳定控制系统的研究不仅为海上活动提供便利，还具有重要的军事意义。尤其是稳定控制系统中的敏感元件陀螺仪，在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。在现代的军队建设中，原始的机械化部队已跟不上现在的战争需求，目标的远程精确打击决能力定了战争的进程和结果。军队要在空海领域完成对目标的探测、跟踪、瞄准和打击任务，就需要一个精确的稳定控制系统，这样对目标打击精度也有很大的提高。陀螺稳定控制算法的研究主要从陀螺滤波算法对信号进行分析，从而提高整个系统的工作精度。
1.2 国内外的现状
随着科技技术的进步陀螺稳定平台功能也越来越多，例如惯性导航功能、数据采集与处理功能、电机运动控制功能、图像处理和光学采集等功能，有效的结合了多个学科，多技术于一身，是当代科技发展的产物。近年来，随着集成电路的迅速发展以及信号采集处理技术的进步，陀螺稳定平台也得到很大的进展，现如今陀螺稳定平台发展趋势是系统结构的小型化、信号采集处理的数字化以及集成化，并且将继续向高精度和高可靠性方向发展。
1.2.1 稳定平台的发展
随着陀螺结构的演变发展，陀螺稳定平台结构也随之改变。1936年在机械力学原理基础上,出现滚珠轴承式动力陀螺稳定平台，用来稳定测距仪。在1950年由于导弹技术的提高，美国研制出了XN-1型三轴稳定平台，并在导弹制导和火箭制导中有了很好的应用，随后为了满足不同导弹的制导需求，美国相继研究出静压气浮陀螺平台、动压气浮自由转子陀螺平台、液浮陀螺平台等，其中采用浮力支承方式，使陀螺中摩擦力矩减小，从而相应的提高了陀螺精度。60年代末，由于对导弹主导精度要求的提高美国研制出了挠性陀螺仪，使陀螺稳定平台在结构、精度、成本方面有了革命性的进步。随着集成电路的发展，在1973年美国研制出了高级惯性参考球平台，由于这种稳定平台没有采用原始框架结构模型，并且对浮球平台的支撑系统和温控系统进行了改进，所以稳定平台的精度和可靠性得到了进一步提高。1976年钟万登等人也在国内提出来我国现代陀螺发展方针。随后现代光纤陀螺仪在国内也得到了非常迅速的发展，随着科技水平的不断提高，它广泛应用于航天、航空、航海和兵器等科技领域。
1.2.2 陀螺及其处理研究
陀螺作为稳定伺服系统中的核心惯性元件，它的工作精度影响了整个稳定伺服系统的工作精度。陀螺仪的种类有很多，其中基于高速旋转转子的惯性空间定轴性的机电类陀螺在陀螺早期的发展中占主要地位，最具代表性的陀螺有机械转子式陀螺、液浮陀螺、动力调谐陀螺(DTG．Dynamically Tuned Gyroscope)和静电陀螺。随后基于哥氏振动原理的微机电振动陀螺出现，其中光纤陀螺、激光陀螺和微机电陀螺最具代表，对其研究投入的资源也越来越多。
在陀螺稳定系统中，衡量其工作精度的指标是陀螺漂移率，其中漂移率又包括来自工作条件的系统漂移和陀螺自身的随机漂移[4]。
随机漂移作为陀螺最重要的性能指标之一[5]，在进行随机漂移补偿时比较困难，所以为了更有效的降低陀螺漂移，必须对其进行算法模型分析，通过ARMA模型来对随机漂移进行拟合。
摘 要
近年来，随着海上探测和科研活动的增多，各国对高精度跟踪平台的需求也日益迫切，对陀螺稳定控制系统的研究不仅为海上活动提供便利，还具有重要的军事意义。尤其是稳定控制系统中的敏感元件陀螺仪，在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。
本文详细分析了陀螺信号中产生漂移误差的原因，针对陀螺漂移问题建立相应的算法模型。然后,在算法模型的基础上分别采用卡尔曼滤波算法和小波去噪算法对陀螺信号进行滤波处理，并在MATLAB中对陀螺输出数据进行仿真分析。最后再结合整个系统对卡尔曼滤波算法和小波去噪算法进行调试分析，结果表明卡尔曼滤波算法在实际应用中相对简单且滤波效果较好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:陀螺仪陀螺漂移卡尔曼滤波小波去噪
Key words：Gyro ;Gyro drift; Kalman filter ;Wavelet Analysis目 录
1.引言 1
1.1 本课题的研究背景及意义1
1.2 国内外的现状2
1.2.1 稳定平台的发展2
1.2.2 陀螺及其处理研究2
1.3 本文主要研究内容3
2.陀螺漂移误差的分析4
2.1 单自由度陀螺模型分析4
2.2 陀螺的漂移误差8
2.3 本章小结11
3.陀螺算法模型建立12
3.1 陀螺随机漂移的概述及概率统计12
3.2 陀螺随机漂移率的测取12
3.3 数学模型的建立14
3.4 本章小结20
4.陀螺算法分析及仿真20
4.1 陀螺单轴稳定平台的传递函数21
4.2 陀螺漂移的卡尔曼滤波22
4.2.1卡尔曼滤波器的设计22
4.2.2滤波器性能的检验23
4.3 小波去噪分析25
4.3.1 小波去噪原理25
4.3.2 小波阈值去噪法32
4.3.3 小波去噪的MATLAB仿真28
4.4本章小结30
5.算法运行调试分析31
5.1 程序载入及通讯31
5.2 整体运行32
5.3 卡尔曼去噪分析39
5.4 小波去噪分析36
5.5 本章总结38
6.总结与展望37
参考文献38
附 录39
致 谢41
1.引 言
1.1 本课题的研究背景及意义
陀螺作为稳定平台的主要元件，它输出的信号精度影响整个系统的稳定精度。在现代的国防建设中，它被广泛应用在目标追踪和导弹制导中，对它的精度也有很高的要求。同时，它也可以精确确定的物体的运行方向和状态的改变，它的发展状况是体现一个国家工业水平以及国防建设科技水平的重要指标。最初的陀螺是利用机械原理制作的惯性陀螺仪，它对机械工艺水平有着很高的要求，然而陀螺精度还是不高，在很大程度上仍受到工艺水平的制约。当现代光纤陀螺的基本设想被提出后，现在陀螺仪进入了一个全新的发展阶段，在现代工业、国防等科技领域得到广泛的应用。
在机载SAR雷达技术理论和技术分析中，稳定平台的主要目的是隔离舰载机的扰动，使天线波束指向的稳定，消除舰载机的航向和姿态变化的影响[1]。而像舰载搜索雷达稳定平台伺服控制系统，在克服船舶摇摆，保持雷达天线水平，具有十分重要的意义[2]。
在机载光电侦察、测量设备的控制系统中，经常要用到光电传感器对目标进行侦查，从而实现对目标的捕获，跟踪和测量。陀螺稳定平台是侦查稳定控制系统中的主体设备，保证光电视轴可见光的稳定性，红外摄像机和激光测距仪系统通常都安装有用于隔离载体的振动稳定平台，这样克服了载体姿态变化的影响跟踪系统上，在控制指令的驱动下，可以有效的完成对目标侦查和追踪。另外空间遥感探测和水下声纳场合，如深海作业，稳定跟踪平台已被广泛应用[3]。
在机载光电侦察、测量等设备的控制系统中，常常要将光电传感器的视轴精确指向目标，以完成对目标的捕获、跟踪及测量。陀螺稳定平台是保证视轴稳定的主要装置，可见光电视、红外摄像系统以及激光测距仪等一般安装在稳定平台上，平台用于隔离载体的振动，并克服载体姿态变化对跟踪系统的影响，同时要在控制指令的驱下，完成对目标捕获和跟踪。在航空侦察摄影观测设备、机载目标指示器、空间遥感探测和海底声纳探测等深海作业场合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用。
综上表明，稳定控制系统在军事和民用等方面都有着极其重要的作用。随着国防武器装备水平的发展，及其科技水平的提高。对陀螺稳定系统的精确性和信号传递的实时性，都有更高的要求。
本课题以“集图像采集功能的新型3G网络环境监测小型浮标研制”项目为背景，将陀螺稳定平台中的陀螺仪作为分析研究对象，以提高陀螺稳定平台工作精度为目标。
近年来，随着海上探测和科研活动的增多，各国对高精度跟踪平台的需求也日益迫切，对陀螺稳定控制系统的研究不仅为海上活动提供便利，还具有重要的军事意义。尤其是稳定控制系统中的敏感元件陀螺仪，在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。在现代的军队建设中，原始的机械化部队已跟不上现在的战争需求，目标的远程精确打击决能力定了战争的进程和结果。军队要在空海领域完成对目标的探测、跟踪、瞄准和打击任务，就需要一个精确的稳定控制系统，这样对目标打击精度也有很大的提高。陀螺稳定控制算法的研究主要从陀螺滤波算法对信号进行分析，从而提高整个系统的工作精度。
1.2 国内外的现状
随着科技技术的进步陀螺稳定平台功能也越来越多，例如惯性导航功能、数据采集与处理功能、电机运动控制功能、图像处理和光学采集等功能，有效的结合了多个学科，多技术于一身，是当代科技发展的产物。近年来，随着集成电路的迅速发展以及信号采集处理技术的进步，陀螺稳定平台也得到很大的进展，现如今陀螺稳定平台发展趋势是系统结构的小型化、信号采集处理的数字化以及集成化，并且将继续向高精度和高可靠性方向发展。
1.2.1 稳定平台的发展
随着陀螺结构的演变发展，陀螺稳定平台结构也随之改变。1936年在机械力学原理基础上,出现滚珠轴承式动力陀螺稳定平台，用来稳定测距仪。在1950年由于导弹技术的提高，美国研制出了XN-1型三轴稳定平台，并在导弹制导和火箭制导中有了很好的应用，随后为了满足不同导弹的制导需求，美国相继研究出静压气浮陀螺平台、动压气浮自由转子陀螺平台、液浮陀螺平台等，其中采用浮力支承方式，使陀螺中摩擦力矩减小，从而相应的提高了陀螺精度。60年代末，由于对导弹主导精度要求的提高美国研制出了挠性陀螺仪，使陀螺稳定平台在结构、精度、成本方面有了革命性的进步。随着集成电路的发展，在1973年美国研制出了高级惯性参考球平台，由于这种稳定平台没有采用原始框架结构模型，并且对浮球平台的支撑系统和温控系统进行了改进，所以稳定平台的精度和可靠性得到了进一步提高。1976年钟万登等人也在国内提出来我国现代陀螺发展方针。随后现代光纤陀螺仪在国内也得到了非常迅速的发展，随着科技水平的不断提高，它广泛应用于航天、航空、航海和兵器等科技领域。
1.2.2 陀螺及其处理研究
陀螺作为稳定伺服系统中的核心惯性元件，它的工作精度影响了整个稳定伺服系统的工作精度。陀螺仪的种类有很多，其中基于高速旋转转子的惯性空间定轴性的机电类陀螺在陀螺早期的发展中占主要地位，最具代表性的陀螺有机械转子式陀螺、液浮陀螺、动力调谐陀螺(DTG．Dynamically Tuned Gyroscope)和静电陀螺。随后基于哥氏振动原理的微机电振动陀螺出现，其中光纤陀螺、激光陀螺和微机电陀螺最具代表，对其研究投入的资源也越来越多。
在陀螺稳定系统中，衡量其工作精度的指标是陀螺漂移率，其中漂移率又包括来自工作条件的系统漂移和陀螺自身的随机漂移[4]。
随机漂移作为陀螺最重要的性能指标之一[5]，在进行随机漂移补偿时比较困难，所以为了更有效的降低陀螺漂移，必须对其进行算法模型分析，通过ARMA模型来对随机漂移进行拟合。
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