光纤陀螺仪误差分析与补偿

在移动机器人定位中光纤陀螺仪的误差分析与建模

摘要对于自主移动机器人，自我确定在环境ｒ｝】的位置是一项基本能力。

在未知环境中，惯性定位方式是移动机器人定位系统中一种完全自主的定位方式并且是不可替代的，然而由于惯性定位器件的输出漂移所带来的累积误差是实现有效定位的最大障碍，本文的主要内容是针对光纤陀螺仪的误差，误差对定位的影响以及如何抑制误差进行了分析和研究。

本文首先对基于多传感器信息融合的移动机器人定位系统平台进行了简介，阐述了基于航迹推算的惯性定位原理，分析了光纤陀螺仪的漂移误差对定位的影响。

目前，对惯性定位器件所带来的累积误差，基于卡尔曼滤波的组合导航是实现有效校正的最佳方式，其中各传感器误差模型的获取是实现误差校正的前提条件。

本文在了解光纤陀螺仪的工作原理、误差产生机理及其分布的情况下，利用Ｅ．ｃｏｒｅｌ０００ＲＤ光纤陀螺仪的漂移测量数据，结合目前各种光纤陀螺仪漂移分析的方法，在此基础上采用时问序列分析方法进行研究和分析，并且得出了一系列的结论。

（１）光纤陀螺仪漂移是一个非平稳随机时间序列，它包含随机漂移和常值漂移，但是在温度相对稳定的情况下，其漂移近似为平稳时间序列；（２）由于光纤陀螺仪漂移受环境温度的影响，误差模型具有时变性，其中，常值漂移量与温度是一种非线性关系；（３）通过Ａ｛｛！Ｉ｛Ａ（ＡｕｔｏＲｅｇｒｅｓｓｉｖｅ啪ｏｖｉｎｇＡｖｅｒａｇｅｍｏｄｅｌ）模型对漂移测量数据进行模型拟合，计算得出ＡＲ（１）为光纤陀螺仪漂移输出的适用模型；（４）最后，结合移动机器人的工作特性，根据光纤陀螺仪漂移误差模型具有时变特性，提出了基于递推最小二乘的在线模型参数估计和校正算法，以提高系统的实用性，并且通过模型的一步预测曲线与样本序列的拟合程度证实所求模型的有效性。

光纤陀螺仪误差模型的获得为以后传感器的观测数据滤波处理、基于多传感器信息融合定位系统的实现以及传感器的实时故障诊断提供了必要的条件。

关键词多传感器信息融合，移动机器人定位，光纤陀螺仪漂移，ＡＲＭＡ，在线估计ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ，ｓｅｌｆ－ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｊｓａｍｎｄａｍｅｎＣａｌａｂｉｌｉ哆ｌｎｅｒｔｉａＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｉｓａｓｅｌ■１０ｃａｌｉｚａｔｉｏｎｗａｙａｎｄｉｓｎｏｔａｂｌｅｔｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｉｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｉｎｕｎｋｎｏ、ｖｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｅｒｒｏｒｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｄ—Ｒｏｆｔｈｅｉｎｅｎｉａｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｓｔｈｅｎｅｃｋｏｆｂｏｔｔｌｅｔｏａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．ＩｔｉｓｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｆｏｒｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｔｏａｎａｌＹｚｅ柚ｄｔｏｍｏｄｅｌｔｈｅＦＯＧ’ｓｄｎｆｔ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｒｉＲｔｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｈｏｗｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｔｔｈｅｄｒｉｆｔ．Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｎｌａｔｉｏｎ如ｓｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｉｎｎ．ｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｅａｄｒｅｃｋｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｅｒｒｏｒｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｄｒｉｆｔｏｆｔｈｅｉｎｅｒｔｉａｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅＫａｌｍａｎ矗ＩｔｅｒｉｓａｎｏｐｔｉｍａｌｗａｙｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｔｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆＩｎｅｒｔｉａＮａＶｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｅｒｒｏｒｍｏｄｅｌｊｓｔｈｅＤｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏｒｅａｌｉｚｅ．ＡｆｔｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅＦＯＧ’ｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅＦＯＧ’ｓｄ—ｆｔ，ｔｈｅｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｒｉｎｄａｔａｏｆＥ．ｃｏｒｅｌ０００ＲＤＦＯＧａｎｄｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔ（１）ｔｈｅＦｏＧ’ｓｄｒｉＲｉｓａｎｏｎ．ｓｔａｔｉｏｎａｒｖｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓａｎｄｉｎｃｌｕｄｅｓｒａｎｄｏｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｃｏｎｓｔａｌｌｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｂｕｔｉｔｉｓａｓｔａｔｉｏｎａｒｙｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓａｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｓｔａｂｌｅ；（２）ｔｈｅｅｒｒｏｒｍｏｄｅｌｏｆｌｈｅＦＯＧ’ｓｄｒｉｆｔｉｓｔｉｍｅ－ＶａｒｙｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅＦＯＧ’ｓｄｒｉＲｈａｓａｒｅＩａｔｉｏｎｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｔｏｔｈｅｔｅ埘Ｉｐｅｒａｔｕｒｅ；（３）ｔｈｅｅｒｒｏｒｍｏｄｅｌｏｆｍｅＦＯＧ’ｓｄｒｉｆｔｉｓｅｘｐｒｅｓｓｅｄａｓＡＲ（１）；（４＞ａｔ１ａｓｔ，ｃｏｍｂｊｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｃｒｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗｏｒｋｉｎｇ，ＲＬＳｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｍｍｅｔｅｒｏｎｌｉｎｅ，ｔｈｅｏｎｅ—ｓｔｅｐ·ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ—ｏｕ印ｕｔｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｆｉｍｌｈｅａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｖｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｉｔｉｓａｎｅｃｅｓｓａｒｙｃｏｎｄ｛ｔｉｏｎｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅＦＯＧ’ｓｅ啪ｒｍｏｄｅｌｆｏｒｅｓｔｉｍａｔｉｎｇａｎｄｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｔｈｅｆ’ａｕｌｔｏｆｓｅｎｓｏｒｓａｎｄａｃｈｉｅｖｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ·ｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏ珊ａｔｉｏｎ缸ｓｉｏｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｍａｔｉｏｎ如ｓｉｏｎ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆｍｏｂｊｌｅｒｏｂｏｔ，ＦｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌＧｙｒｏｓｃｏｐｅ’ｓｄｒｉｎ（ＦＯＧ’ｓｄｒｉｎ），ＡＲＭＡ，ｏｎｌｉｎｅｅｓｔｉｍａｔｅ！堕盔兰塑！兰些堡：！——～一一…一——』！堡第一章绪论１．１引言陀螺是我国一种古老的玩具。

光纤陀螺温度影响的非线性综合误差补偿

敏感，在新的热平衡建立前，纤陀螺输出信号将产生非互光
易相位误差。
式中：Ｆ（，）＝ｓ・，・为标度因数关于温度和输入ＳＴＳ２ｋ角速度的非线性度模型；Ｆ为标度因数的标称值；为温Ｓｏｋ度对标度因数的影响因子，多项式模型表示为ｋ＝１＋ｎＴ用，，
真ｔ速。㈨光
过载和耐冲击等优点，近几年米存惯ｔ导航、＇ｌ制领域已得
到广泛应用。对于光纤陀螺系统，于电路噪声、路噪声由光及环境噪声的影响，使陀螺输出信 ‘仃随机源移纤致ｊ ‘ 、光
度的影响，好地改善光纤陀螺较
文献标识码：Ａ
：Ｆ０ … 能境输ｎ
文章编号：０６— ７７２Ｉ）３— ０６— ３１０００（０００７０Ｉ
关键词：纤陀螺；．漂移；标度数；Ｉ性模割光Ｉ度＝１线
基于Ｓｇａ效应测钴角速度的光纤陀螺仪足一种全固ａｎｃ态惯性仪表 … ，具有体积小、ｈ轻、动快、念范同大、甩动抗
折射半ｌ系数；，Ｃ．ｎ址光比纤，他波的迷度；，。Ｃ．＝／Ｊ，为
螺零偏漂移、度数小稳定的主标纤陀螺的误差补偿难以办到，】Ｉ此大因数非线性综合误差模型进行补偿。
索濉度刈‘ 光纤陀螺・温度和标度种

光纤陀螺输入轴失准角温度补偿研究

光纤陀螺输入轴失准角温度补偿研究随着科技的发展，光纤陀螺在工程技术领域发挥着重要作用。

它具有高精度、超大灵敏度和可靠性等优点，可以用于各种测量与控制应用中。

光纤陀螺的轴失准角（Axial Misalign Angle，简称AMA）在温度环境变化时会发生变形，严重影响其精准度。

因此，如何解决其失准角随温度变化而发生变形的问题是学术界非常关注的课题。

本文针对这一问题，采用理论分析的方法，提出了一种有效的温度补偿措施，以提高光纤陀螺的精度和可靠性。

对于光纤陀螺的失准角温度变化，传统的补偿方法主要采用的是参数补偿的方法，它的原理是通过在指定的温度范围内调整光纤陀螺的棱镜或反射锥的几何尺寸，从而抵消AMA与温度之间的耦合效应。

然而，这种补偿方法在超高温或超低温环境时会出现精度较低的现象，因此限制了其广泛应用的可能性。

有鉴于此，本文提出了一种新的温度补偿方法，即采用高级控制系统实施温度补偿控制。

该系统不仅能够有效补偿AMA随温度变化而发生变化而造成的失精度，而且能够有效调节AMA变化的累积误差，从而大大提高温度补偿控制的精度。

为了验证该温度补偿控制方法的有效性，本文通过实验分析了AMA随温度变化而变化的规律，并采用该系统对测量结果进行模拟补偿。

实验结果表明，该温度补偿控制系统能够有效抑制AMA随温度变化而发生的变形，并大大提高AMA的精准度。

本文的研究结果表明，温度补偿控制系统是有效抑制AMA随温度变化而发生变形的一种有效补偿措施，可以有效提高光纤陀螺的测量精度和可靠性。

后续研究将结合实际应用，探索更多改进措施，以提高光纤陀螺的质量和性能。

此外，也可以考虑通过调整陀螺整体设计来解决失准角温度补偿问题，并将设计原理进行理论分析和实验验证，从而使其在温度梯度大的地方得到良好应用。

总之，本文提出的温度补偿措施可以有效抑制AMA随温度变化而发生变形，有效提高光纤陀螺的测量精度和可靠性，为今后的研究与应用奠定了良好的基础。

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应用的瓶颈之一。

文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。

该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP 技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。

仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。

关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。

目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。

而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。

文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。

仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。

1 光纤陀螺温度效应误差分析温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。

引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。

光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。

开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。

之后，外部温度环境的影响占主导作用。

在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。

光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。

光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。

基于光纤陀螺仪的信号补偿

ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ．Ｉｔｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｈｅｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｍｏｄｅｌｏｆｎｏｎｌｎｅｉｒｉａｔｙｅｒｒｏｒｎｄａｌｎｅｉａｒｉｙｔｅｒｏ￣ｕｓｅｓｓｉｎａｇｌｐｒｏｃｅｓｓｎｇｉａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ａｎｄｓｉｎａｇｌｉｌｆｔｅｒｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｖａｒｉｅｙｔｏｆｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｎｇｉａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｅｆｅｃｔｉｖｅ
化如光纤陀螺仪所在基座的扰动等问题【６＇７】．这些问题都会对光纤陀螺仪使用精度产生影响．
１误差分析
本文通过采集光纤陀螺仪输出数据的有效分量，
提取有效数据进行分析如下：
优势…．被广泛地应用于国防，国民经济建设中．
但在实际应用光纤陀螺仪的过程当中还是存在很
光纤陀螺仪是在现代国防工业中被广泛使用的一种惯性元器件，具有非常重要的作用．近年随着光纤陀螺仪精度的不断提高，成本下降，光纤陀螺仪得到越来越广泛的应用．与其它传统的设备相比，光纤陀螺仪具有不受外部环境如地球磁场、地形、气候等的影响、快速反应、精度高、在恶劣环境中可靠工作等
２０１３ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 第２２卷第２期

光纤陀螺零偏温度特性分析及补偿模型

33第2卷　第8期产业科技创新　2020，2（8）：33~34Industrial Technology Innovation 光纤陀螺零偏温度特性分析及补偿模型程文明，张国财，王　浩（浙江航天润博测控技术有限公司，浙江　杭州　310000）摘要：在光纤陀螺发展的过程当中，制约它的精度发展的一个重要的原因就是温度漂移的误差。

为了能够进一步的去建立一个光纤陀螺的温度补偿模型，首先要设计一个光纤陀螺的温度实验，通过实验来分析光纤陀螺的特性。

温度误差的模型可以分为升温模型和降温模型，然后分别建模，能够有效地提高模型的精度。

文章当中将就光纤陀螺零偏温度特性进行分析。

关键词：光纤陀螺；零偏温度特性；补偿模型中图分类号：TH824.3　文献标志码：A　文章编号：2096-6164（2020）08-0033-02光纤陀螺是一种角速度传感器。

光纤陀螺具有许多的优点，比方说，它的可用寿命是比较长的，且制作的成本也比较低，可以应用的范围也比较广，有很高的可靠性。

正是因为这些优点，光纤陀螺经常被用在航空航天以及军用或者是民用领域。

而温度漂移误差则是制约光纤陀螺得到更好发展的一个重要原因。

因为温度漂移误差可以影响光纤陀螺的输出精准度。

除此之外，光纤陀螺仪的一些光学器件也会导致顺逆时针所传输出来的光出现非互易性相移，这样也会导致光纤陀螺的输出精度受到影响。

解决光纤陀螺温度漂移的问题主要由两种方法。

第一种是硬件补偿，第二种是软件补偿。

在这两种方法当中，更倾向于软件补偿的方式。

因为软件建模的方法成本是比较低的，并且应用起来也比较灵活，很适合去研究。

通过人工鱼群算法对数据函数进行一个寻优处理，在变温实验当中可以充分的验证软件建模的方法是具有一定适应性的。

通过温度梯度以及陀螺输出滞后等来解释陀螺的温度漂移模型的变量可以发现建模方法是具有可行性的。

在陀螺信号的处理当中，比较经常应用的是人工神经网络。

因为它具有非常强的非线性自适应处理能力。

现代导航技术第八章(陀螺仪的测试、标定与补偿)

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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验测试方法
在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成一系列角速率值，同时记录每一级的数据。旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的输出在记录前已处于稳定状态。施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。
23
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法（3）温度试验
如：全温范围下的某型号光纤陀螺标度因数漂移特性
24
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法（4）摇摆速率转台试验
此类试验的目的是确定陀螺仪及其相关电子控制电路对施加于敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性测试设备与速率变换测试中所述的速率转台非常类似。在该情况下，转台同样安装在合适的基座上以提供稳定性，并施加各种预先设定频率的角运动。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法（7）冲击试验
试验的目的是测量陀螺仪对于施加的冲击的响应，并确定该敏感器对于施加的极短周期(一般为毫秒级)的加速度的恢复能力。敏感器要安装到金属台上，并将该台从给定的距离上落到一合适形状的铅块上。在施加冲击过程中且同样在冲击后的一定时间内记录输出信号。陀螺仪在冲击前后漂移均值的对比能够表明该陀螺仪特性的瞬态或永久性变化。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验
输出角速率偏差（deg/s）
数据分析
与实际相比的输出偏差曲线
IFOG标度因数测试情况（10℃）

激光陀螺仪误差分析与补偿技术共22页

55、为中华之崛起而读书。 பைடு நூலகம்—周恩来
激光陀螺仪误差分析与补偿技术
1、纪律是管理关系的形式。——阿法纳西耶夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响，而是让儿童练习良好道德行为，克服懒惰、轻率、不守纪律、颓废等不良行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养成儿童自觉的纪律性，这是儿童道德教育最重要的部分。—— 陈鹤琴
谢谢！
51、天下之事常成于困约，而败于奢靡。——陆游 52、生命不等于是呼吸，生命是活动。——卢梭
53、伟大的事业，需要决心，能力，组织和责任感。 ——易卜生 54、唯书籍不朽。——乔特