專利名稱：三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，屬于高分辨率航空對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，可用于穩(wěn)定精度要求高的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的陀螺信號(hào)采集和信號(hào)濾波，特別適合于輕小型高分辨率航空遙感三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)。
背景技術(shù)：
慣性穩(wěn)定平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀測(cè)的必要設(shè)備，它可以有效隔離飛行平臺(tái)的擾動(dòng)及非理想姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)載荷視軸指向和航向始終保持慣性空間穩(wěn)定。目前，國外代表性產(chǎn)品為瑞士 Leica公司的PAV30和PAV80，而國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步，無成熟產(chǎn)品?，F(xiàn)有的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺采集電路和信號(hào)濾波方法沒有給出陀螺信號(hào)的增益系數(shù)和零偏系數(shù)的標(biāo)定方法和信號(hào)濾波方法，無法消除噪聲和抖動(dòng)影響。另外，信號(hào)放大電路沒有考慮地電位浮動(dòng)的影響，在電路噪聲影響下地電位的變化直接引入到測(cè)量環(huán)節(jié)， 造成有用信息測(cè)量準(zhǔn)確度下降；同時(shí)差動(dòng)運(yùn)算放大器沒有顧及共模抑制問題，耦合的噪聲較大；信號(hào)傳輸電路的信號(hào)接口端采用單線傳輸方式，易受其它信號(hào)干擾；電壓限幅時(shí)直接將上限電壓接入基準(zhǔn)源電壓，下限電壓接入地，這樣由于基準(zhǔn)源阻抗較小，當(dāng)輸入電壓超過飽和值時(shí)都會(huì)抬高或拉低基準(zhǔn)源電壓而失去限幅作用，同時(shí)可能損壞其它電路，造成可靠性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)， 消除了噪聲和抖動(dòng)影響，同時(shí)提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，包括光纖速率陀螺(1)、信號(hào)放大電路O)、信號(hào)傳輸電路(3)、電壓限幅電路(4)及 DSP (5)光纖速率陀螺(1)用于測(cè)量平臺(tái)框架相對(duì)于慣性空間的角速率，為平臺(tái)系統(tǒng)提供速率反饋基準(zhǔn)，其輸入信號(hào)為平臺(tái)框架相對(duì)于慣性空間的角速率，輸出信號(hào)為正比于角速率大小的差分形式的電壓信號(hào)，連接到信號(hào)放大電路( 進(jìn)行電壓放大，光纖速率陀螺(1) 的供電電源與地由信號(hào)放大電路(2)提供；信號(hào)放大電路( 包括差動(dòng)運(yùn)算放大器、電壓跟隨器及共模抑制電阻電容；光纖速率陀螺(1)輸出的差分形式的電壓信號(hào)經(jīng)共模抑制電阻電容后連接到信號(hào)放大電路(2) 的差動(dòng)運(yùn)算放大器輸入端，經(jīng)過信號(hào)放大、濾波后，輸出到信號(hào)輸出電路(3)；在光纖速率陀螺(1)地端與信號(hào)放大電路O)的差動(dòng)運(yùn)算放大器參考電壓端接入電壓跟隨器，可避免低位電壓浮動(dòng)，減小漏電流；信號(hào)輸出電路C3)包括電流串聯(lián)負(fù)反饋、差動(dòng)運(yùn)算放大器、參考電壓以及信號(hào)接口端，其輸入端為信號(hào)放大電路( 差動(dòng)運(yùn)算放大器經(jīng)放大濾波后的輸出端；首先通過電流串聯(lián)負(fù)反饋將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后連接到信號(hào)接口端將信號(hào)傳輸?shù)讲顒?dòng)運(yùn)算放大器的輸入端，通過電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并疊加參考電壓，將雙向的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為純正向電壓信號(hào)，輸出到電壓限幅電路⑷；電壓限幅電路(4)包括上限電壓、下限電壓以及限幅二極管，其輸入端為信號(hào)輸出電路C3)經(jīng)差動(dòng)運(yùn)算放大器疊加參考電壓后的輸出端；首先通過基準(zhǔn)電壓芯片接入電壓跟隨器生成上限電壓，然后將上限電壓通過電阻分壓接入電壓跟隨器生成下限電壓，上限電壓和下限電壓分別通過限幅二極管將輸入電壓進(jìn)行限幅，輸出端連接到DSP 內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；DSP(5)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集電壓限幅電路⑷輸出的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，完成陀螺原始模擬信號(hào)采樣，然后通過陀螺信號(hào)濾波模塊完成陀螺信號(hào)濾波，將每次 DSP(5)讀取的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換得到平滑后的角速率真實(shí)值；所述陀螺信號(hào)濾波模塊包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分，所述在線滑動(dòng)平均濾波部分將DSP^每次所讀取的電壓信號(hào)Vdsp進(jìn)行平滑去噪，由靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分將平滑去噪的電壓值Vdsp轉(zhuǎn)化為角速率真實(shí)值ω，g卩ω = k*(VDSP_b)，k為增益系數(shù)，b為零偏系數(shù)，同時(shí)靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分事先將k和b標(biāo)定出來。所述靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分中零偏系數(shù)b標(biāo)定如下利用速率轉(zhuǎn)臺(tái)來進(jìn)行標(biāo)定，保持速率轉(zhuǎn)臺(tái)靜止不動(dòng)，角速率ω =0，然后通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集到電壓值 VDSP，分別記錄多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集2-5分鐘，然后對(duì)每組采集數(shù)據(jù)取平均值，之后再對(duì)多組數(shù)據(jù)的平均值求均值，該均值即為零偏系數(shù)b。所述靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分中增益系數(shù)k標(biāo)定如下將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以ω° /s速率旋轉(zhuǎn)， 速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率ω精確已知且ω >0，通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集2_5分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組數(shù)據(jù)求平均值，得到ω ° /s速率對(duì)應(yīng)電壓值用νω表示，然后將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以-ω° /s速率旋轉(zhuǎn)，通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集2-5分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組
數(shù)據(jù)求平均值，得到_ω ° /s速率對(duì)應(yīng)電壓值用ν_ω表示，之后采用公式求增
ω—ω
益系數(shù)k。所述在線滑動(dòng)平均濾波部分實(shí)現(xiàn)如下DSP(5)通過內(nèi)部ADC中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣 (采樣頻率可達(dá)幾十KHZ)，然后判斷采樣次數(shù)，如果采樣次數(shù)小于設(shè)定值，則其值加1，同時(shí)對(duì)本次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行野值判斷，若非野值，則將本次數(shù)據(jù)存入數(shù)組元素中，若為野值， 則將濾波后輸出值存入數(shù)組元素中，最后將數(shù)組中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波后的輸出值；如果采樣次數(shù)大于或等于設(shè)定值，則將采樣次數(shù)恒等于設(shè)定值，同時(shí)將數(shù)組第一個(gè)數(shù)據(jù)剔除，將后面所有數(shù)據(jù)前移一位，然后對(duì)本次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行野值判斷，若非野值， 則將本次數(shù)據(jù)存入數(shù)組末尾元素中，若為野值，則將濾波后輸出值存入數(shù)組末尾元素中，最后將數(shù)組中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波后的輸出值；依此類推，數(shù)組元素不斷前移一位，非野值采樣結(jié)果存入數(shù)組末尾，然后求平均值，便得到每次滑動(dòng)平均濾波后的輸出值。所述信號(hào)輸出電路(3)中的信號(hào)接口端采用“電源-信號(hào)-地”的方式進(jìn)行排列， 可有效避免信號(hào)干擾。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明給出了詳細(xì)的陀螺信號(hào)增益系數(shù)和零偏系數(shù)標(biāo)定和信號(hào)濾波方法，包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分。靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定可以有效地將增益系數(shù)和零偏系數(shù)測(cè)出，而不受測(cè)量噪聲的影響，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度；在線滑動(dòng)平均濾波可以剔除測(cè)量野值，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，消除了噪聲和抖動(dòng)影響。(2)本發(fā)明的信號(hào)放大電路在光纖速率陀螺的信號(hào)地與差動(dòng)運(yùn)算放大器的參考地之間接入了電壓跟隨器，這樣兩個(gè)地之間通過高阻抗等電位相連，可保證兩者之間同時(shí)浮動(dòng)，而不影響輸出結(jié)果，進(jìn)一步提高了有用信息測(cè)量的準(zhǔn)確度；同時(shí)，本發(fā)明在差動(dòng)運(yùn)算放大器輸入端接入精密電阻，并在輸入端與供電電源、地之間接入精密電容，可以調(diào)節(jié)電路阻抗和容抗，提高共模抑制比，降低噪聲影響。(3)本發(fā)明的信號(hào)傳輸電路的信號(hào)接口端不再使用單線形式傳輸，而是采用“電源-信號(hào)-地”的方式進(jìn)行排列，即每個(gè)信號(hào)的兩側(cè)都由供電電源、地包圍，為信號(hào)線提供較好的回流路徑，同時(shí)可以達(dá)到一定的電磁屏蔽作用。(4)本發(fā)明的電壓限幅電路不再與其它電路共用基準(zhǔn)源，而是由獨(dú)立的穩(wěn)壓管生成上限和下限電壓，避免影響其它電路；同時(shí)接入電壓跟隨器，提高輸出阻抗，保證當(dāng)輸入電壓超過飽和值時(shí)可以迅速限幅而不會(huì)抬高或拉低基準(zhǔn)電位。


圖1為本發(fā)明的信號(hào)連接框圖2為本發(fā)明的信號(hào)放大電路；
圖3為本發(fā)明的信號(hào)傳輸電路；
圖4為本發(fā)明的電壓限幅電路；
圖5為本發(fā)明的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
圖6為本發(fā)明的在線滑動(dòng)平均濾波部分流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括光纖速率陀螺1、信號(hào)放大電路2、信號(hào)傳輸電路3、電壓限幅電路4禾口 DSP5。光纖速率陀螺1型號(hào)為VGA941-3AM，供電電源與地由信號(hào)放大電路2提供，光纖速率陀螺1輸出的差分電壓信號(hào)連接到信號(hào)放大電路2的共模抑制電阻電容，然后連接到差動(dòng)運(yùn)算放大器輸入引腳，經(jīng)過適當(dāng)放大、濾波后輸出到信號(hào)傳輸電路3的電流串聯(lián)負(fù)反饋部分，信號(hào)放大電路2的差動(dòng)運(yùn)算放大器的地端通過電壓跟隨器與光纖陀螺的地端相連。 信號(hào)傳輸電路3通過電流串聯(lián)負(fù)反饋部分將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)連接到信號(hào)接口端進(jìn)行傳輸，再通過差動(dòng)運(yùn)算放大器并疊加參考電壓，將雙向電壓轉(zhuǎn)化為純正向電壓，輸出到電壓限幅電路4。電壓限幅電路4通過限幅二極管對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行限幅，幅值由上限電壓和下限電壓決定，經(jīng)過電壓限幅后輸入到DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。DSP通過內(nèi)部ADC中斷完成原始模擬信號(hào)采集，并通過陀螺信號(hào)濾波模塊得到平滑后的角速率真值。陀螺信號(hào)濾波模塊包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分。 其中，靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分完成將DSP所讀取的電壓值轉(zhuǎn)化為角速率值的任務(wù)速率陀螺輸出正比于角速率的模擬電壓，DSP讀取到該電壓值，并不能直接將該值作為角速率，而是根據(jù)公式ω = k*(VDSP_b)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中，ω為角速率真實(shí)值，Vdsp為DSP所讀取的電壓值， k為增益系數(shù)，b為零偏系數(shù)。同時(shí)靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分事先將公式中的k和b求出來。在線
6滑動(dòng)平均濾波部分完成將DSP每次所讀取的電壓信號(hào)Vdsp進(jìn)行平滑去噪的任務(wù)DSP所讀取的電壓值含有噪聲和野值，如果直接采用以上公式ω =k*(VDSP_b)得到的角速率存在很大誤差，所以必須先對(duì)Vdsp進(jìn)行在線濾波，然后再采用該公式進(jìn)行計(jì)算。所以這兩部分都是圍繞角速率真實(shí)值和原始電壓值的關(guān)系而展開的。DSP通過內(nèi)部ADC中斷完成陀螺原始模擬信號(hào)采樣和陀螺信號(hào)濾波。其中，陀螺信號(hào)濾波模塊包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分。靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分具體如下①光纖速率陀螺角速率標(biāo)度因數(shù)用Gyro (單位伏每度每秒)表示，信號(hào)放大電路線性放大倍數(shù)用fein表示，參考電壓用REF表示，最終輸入到DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電壓形式為Vdsp = Gain*Gyro* ω+REF(1)其中ω為所測(cè)角速率值，單位每度每秒。由公式⑴可以得到DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所采集到的電壓大小Vdsp與所測(cè)角速率大小ω成線性關(guān)系，不妨假設(shè)ω與Vdsp關(guān)系式為ω = k* (VDSF-b)(2)由公式(2)可知只要確定了增益系數(shù)k和零偏系數(shù)b，便可以通過DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路讀取Vdsp值得到所測(cè)角速率ω的大小。②將光纖速率陀螺固定在速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，使其敏感軸與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，然后將陀螺信號(hào)放大電路、信號(hào)傳輸電路、電壓限幅電路、DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分別進(jìn)行連接。③零偏系數(shù)標(biāo)定保持速率轉(zhuǎn)臺(tái)靜止不動(dòng)(速率轉(zhuǎn)臺(tái)四周有隔振處理)，即認(rèn)為公式O)中角速率ω =0，然后通過DSP的ADC中斷采集原始模擬電壓值VDSP，分別記錄5 10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集3分鐘，然后對(duì)每組數(shù)據(jù)取平均值，之后再對(duì)各組數(shù)據(jù)的平均值求均值，最終得到公式O)中的零偏系數(shù)b。④增益系數(shù)標(biāo)定將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以ω ° /s速率旋轉(zhuǎn)(速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率ω精確已知且ω >0)，通過DSP的ADC中斷采集3分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組數(shù)據(jù)求平均值，得到 ω° /s速率對(duì)應(yīng)電壓值用νω表示。然后將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以/s速率旋轉(zhuǎn)，通過DSP的 ADC中斷采集3分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組數(shù)據(jù)求平均值，得到_ω ° /s速率對(duì)應(yīng)電壓值用ν_ω 表示。之后，采用如下公式求增益系數(shù)k:
2^ UJk =( 3 )
ω—ω在求解增益系數(shù)k時(shí)，公式C3)可以有效地避免數(shù)據(jù)噪聲和零偏值的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，現(xiàn)推導(dǎo)如下由公式(2)可以得到+ δ(4) k+ δ(5)
κ將公式(4)與公式(5)相減便可以得到公式(3)。采用如上所述的正負(fù)方向速率旋轉(zhuǎn)測(cè)量方法可以不考慮所測(cè)零偏和數(shù)據(jù)噪聲的影響，進(jìn)一步降低增益系數(shù)求解誤差。將轉(zhuǎn)臺(tái)分別以ω = 士1° /s，ω = 士5° /s，co = 士10° /s，《 = 士15° /s(可以根據(jù)量程選擇)旋轉(zhuǎn)，并采用以上所述方法進(jìn)行測(cè)量，得到4組數(shù)據(jù)，然后求平均值，最終得到公式O)中的增益系數(shù)k。如圖2所示為本發(fā)明的信號(hào)放大電路2。光纖速率陀螺1連接方式如圖P3所示， 輸入電源+5VA、地AGND，輸出電壓GyroSignal_0ut+、GyroSignal_0ut-分別通過精密電阻 RIO,Rll連接到差動(dòng)運(yùn)算放大器AD620的輸入引腳，放大10倍左右。在光纖速率陀螺1的地AGND和信號(hào)放大電路2的差動(dòng)運(yùn)算放大器參考電壓端接入由高精密運(yùn)放0P07組成的電壓跟隨器，可避免低位電壓浮動(dòng)，減小漏電流。電阻RIO、R11，電容C18、C19用于提高差動(dòng)運(yùn)算放大器的共模抑制能力。該信號(hào)放大電路輸出端為電壓信號(hào)GyroSignalOut，連接到信號(hào)傳輸電路3。如圖3所示為本發(fā)明的信號(hào)傳輸電路3。采用高精密運(yùn)放0P07和精密電阻R3、 R34組成電流串聯(lián)負(fù)反饋，將信號(hào)放大電路2輸出的電壓信號(hào)GyroSignalOut轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)Gyro+、Gyro-，輸出到差動(dòng)運(yùn)算放大器AD620，由高精密運(yùn)放0P184組成基準(zhǔn)電壓 REF_1. 024V連接到AD620的參考電壓引腳，將雙向電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為純正向電壓信號(hào)，其輸出端Gyro連接到電壓限幅電路4。如圖4所示為電壓限幅電路4。由電源電壓Power、電阻R3和2. 5V穩(wěn)壓管Dl生成 2. 5V的基準(zhǔn)電壓，連接到由高精密運(yùn)放0P07組成的電壓跟隨器，提高輸出阻抗，減小信號(hào)衰減，生成上限電壓V_UP_Limit(其值為2. 5V)；上限電壓V_UP_Limit通過電阻R24、R25分壓并連接到由高精密運(yùn)放0P07組成的電壓跟隨器得到下限電壓V_D0WN_Limit (其值0. 7V 左右)。信號(hào)傳輸電路3的輸出端Gyro通過電阻R22連接到兩個(gè)限幅二極管D14、D16，這兩個(gè)二極管的一側(cè)分別連接到正下限電壓進(jìn)行限幅，輸出端為DSP_ADC。如圖5所示為本發(fā)明的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。DSP選擇TI公司浮點(diǎn)型芯片 TMS320F28335，它具備32位浮點(diǎn)處理單元、150MHZ的高速數(shù)據(jù)處理能力、多達(dá)12位16通道 ADC，可以滿足陀螺信號(hào)高速采樣的需要。DSP的ADC參考電壓引腳外接2. 048V基準(zhǔn)電壓， 該基準(zhǔn)電壓由3. 3V電壓、LM4040-2. OV基準(zhǔn)源以及由高精密運(yùn)放0P184組成的電壓跟隨器生成。DSP通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將陀螺原始模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過內(nèi)部ADC中斷完成數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)濾波。 如圖6所示為本發(fā)明的在線滑動(dòng)平均濾波部分流程圖。DSP定義一組變量采樣次數(shù)Count，本次采樣值IN，濾波后輸出值0UT，100列的一維數(shù)組A[100]，采樣次數(shù)設(shè)定值為 100。首先，DSP判斷采樣次數(shù)是否小于100，如果成立則采樣次數(shù)加1，然后進(jìn)行野值判斷， 如果本次采樣值與濾波后輸出值相差100以上，則將濾波后輸出值存入數(shù)組A中，如果本次采樣值與濾波后輸出值相差低于100，則將本次采樣值存入數(shù)組A中，然后對(duì)數(shù)組A中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波的結(jié)果；如果采樣次數(shù)大于或等于100，則將采樣次數(shù)恒等于 100，然后將數(shù)組A中第一個(gè)數(shù)據(jù)剔除，將后99為數(shù)據(jù)前移一位，然后進(jìn)行野值判斷，如果本次采樣值與濾波后輸出值相差100以上，則將濾波后輸出值存入數(shù)組A最末尾元素中，如果本次采樣值與濾波后輸出值相差低于100，則將本次采樣值存入數(shù)組A最末尾元素中，然后對(duì)數(shù)組A中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波的結(jié)果。采用以上所述在線滑動(dòng)平均濾波，在剔除野值的同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，消除了噪聲和抖動(dòng)影響。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，其特征在于包括光纖速率陀螺(1)、信號(hào)放大電路⑵、信號(hào)傳輸電路(3)、電壓限幅電路(4)及DSP(5)光纖速率陀螺(1)用于測(cè)量平臺(tái)框架相對(duì)于慣性空間的角速率，為平臺(tái)系統(tǒng)提供速率反饋基準(zhǔn)，其輸入信號(hào)為平臺(tái)框架相對(duì)于慣性空間的角速率，輸出信號(hào)為正比于角速率大小的差分形式的電壓信號(hào)，連接到信號(hào)放大電路( 進(jìn)行電壓放大，光纖速率陀螺(1)的供電電源與地由信號(hào)放大電路(2)提供；信號(hào)放大電路( 包括差動(dòng)運(yùn)算放大器、電壓跟隨器及共模抑制電阻電容；光纖速率陀螺(1)輸出的差分形式的電壓信號(hào)經(jīng)共模抑制電阻電容后連接到信號(hào)放大電路( 的差動(dòng)運(yùn)算放大器輸入端，經(jīng)過信號(hào)放大、濾波后，輸出到信號(hào)輸出電路(3)；在光纖速率陀螺 (1)地端與信號(hào)放大電路O)的差動(dòng)運(yùn)算放大器參考電壓端接入電壓跟隨器，可避免低位電壓浮動(dòng)，減小漏電流；信號(hào)輸出電路C3)包括電流串聯(lián)負(fù)反饋、差動(dòng)運(yùn)算放大器、參考電壓以及信號(hào)接口端， 其輸入端為信號(hào)放大電路( 差動(dòng)運(yùn)算放大器經(jīng)放大濾波后的輸出端；首先通過電流串聯(lián)負(fù)反饋將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后連接到信號(hào)接口端將信號(hào)傳輸?shù)讲顒?dòng)運(yùn)算放大器的輸入端，通過電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并疊加參考電壓，將雙向的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為純正向電壓信號(hào)，輸出到電壓限幅電路⑷；電壓限幅電路(4)包括上限電壓、下限電壓以及限幅二極管，其輸入端為信號(hào)輸出電路C3)經(jīng)差動(dòng)運(yùn)算放大器疊加參考電壓后的輸出端；首先通過基準(zhǔn)電壓芯片接入電壓跟隨器生成上限電壓，然后將上限電壓通過電阻分壓接入電壓跟隨器生成下限電壓，上限電壓和下限電壓分別通過限幅二極管將輸入電壓進(jìn)行限幅，輸出端連接到DSP 內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；DSP(5)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集電壓限幅電路⑷輸出的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，完成陀螺原始模擬信號(hào)采樣，然后通過陀螺信號(hào)濾波模塊完成陀螺信號(hào)濾波，將每次DSP (5)讀取的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換得到平滑后的角速率真實(shí)值；所述陀螺信號(hào)濾波模塊包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分，所述在線滑動(dòng)平均濾波部分將DSP ( 每次所讀取的電壓信號(hào)Vdsp進(jìn)行平滑去噪，由靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分將平滑去噪的電壓值Vdsp轉(zhuǎn)化為角速率真實(shí)值ω，§卩ω = k*(VDSP-b)，k為增益系數(shù)，b為零偏系數(shù)，同時(shí)靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分事先將k和 b標(biāo)定出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，其特征在于所述靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分中零偏系數(shù)b標(biāo)定如下利用速率轉(zhuǎn)臺(tái)來進(jìn)行標(biāo)定，保持速率轉(zhuǎn)臺(tái)靜止不動(dòng)，角速率ω =0，然后通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集到電壓值VDSP， 分別記錄多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集2-5分鐘，然后對(duì)每組采集數(shù)據(jù)取平均值，之后再對(duì)多組數(shù)據(jù)的平均值求均值，該均值即為零偏系數(shù)b。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，其特征在于所述靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分中增益系數(shù)k標(biāo)定如下將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以ω° /s速率旋轉(zhuǎn)， 速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率ω精確已知且ω >0，通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集2_5分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組數(shù)據(jù)求平均值，得到ω° /s速率對(duì)應(yīng)電壓值用νω表示，然后將速率轉(zhuǎn)臺(tái)以-ω° /s速率旋轉(zhuǎn)，通過DSP 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中斷采集2-5分鐘數(shù)據(jù)，然后將該組數(shù)據(jù)求平均值，得到
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，其特征在于所述在線滑動(dòng)平均濾波部分實(shí)現(xiàn)如下DSP(5)通過內(nèi)部ADC中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣， 然后判斷采樣次數(shù)，如果采樣次數(shù)小于設(shè)定值，則其值加1，同時(shí)對(duì)本次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行野值判斷，若非野值，則將本次數(shù)據(jù)存入數(shù)組元素中，若為野值，則將濾波后輸出值存入數(shù)組元素中，最后將數(shù)組中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波后的輸出值；如果采樣次數(shù)大于或等于設(shè)定值，則將采樣次數(shù)恒等于設(shè)定值，同時(shí)將數(shù)組第一個(gè)數(shù)據(jù)剔除，將后面所有數(shù)據(jù)前移一位，然后對(duì)本次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行野值判斷，若非野值，則將本次數(shù)據(jù)存入數(shù)組末尾元素中，若為野值，則將濾波后輸出值存入數(shù)組末尾元素中，最后將數(shù)組中所有數(shù)據(jù)求平均值，作為本次濾波后的輸出值；依此類推，數(shù)組元素不斷前移一位，非野值采樣結(jié)果存入數(shù)組末尾，然后求平均值，便得到每次滑動(dòng)平均濾波后的輸出值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)輸出電路⑶中的信號(hào)接口端采用“電源-信號(hào)-地”的方式進(jìn)行排列， 可有效避免信號(hào)干擾。
全文摘要
一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)陀螺信號(hào)采集電路及信號(hào)濾波系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)角速率信息的高精準(zhǔn)采集，為平臺(tái)高精度控制提供反饋基準(zhǔn)。其中陀螺信號(hào)采集電路包括信號(hào)放大電路、信號(hào)傳輸電路、電壓限幅電路以及DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；信號(hào)濾波模塊包括靜態(tài)因數(shù)標(biāo)定部分和在線滑動(dòng)平均濾波部分。本發(fā)明通過將微弱的陀螺電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大、濾波，并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳輸，經(jīng)過電壓限幅后進(jìn)入DSP的AD通道進(jìn)行原始模擬信號(hào)采集，再通過信號(hào)濾波模塊提取出有用信息，從而轉(zhuǎn)化為平臺(tái)框架角速率真值。
文檔編號(hào)G01C21/18GK102506859SQ20111033866
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者房建成, 李樹勝, 趙巖, 鐘麥英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)