光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现

关 键 词: 光纤陀螺 ; 惯性测量单元 ; DSP; 闭环 中图分类号: V241. 5 文献标识码: A
Design and Implementation of IMU Based on FOGs
SON G Ning f ang , Z HANG Chun xi , M A Ying jian, DU Xin zheng , Z HAN Wei x u ( Beijing Univ ersi t y o f Aero nautics and Ast ronauti cs, Beiji ng 100083, China)
收稿日期: 1999 01 18 作者简介: 宋凝芳 ,女 ,北京航空航天大学宇航学院讲师 ,从 事 G PS应用及光纤陀螺研究。
宋凝芳等: 光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现
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性测量单元 ( IM U)。 用光纤陀螺构造的惯性测量 单元 ,可 以根据应用对象的不同设计要求 ,在精 度 、成 本、 重 量、 体积 等 方 面 进行 灵 活 及容 错 的 综 合设计。
摘要: 本文介绍采用全数字闭环光纤陀螺组成的惯性测量单元的实现方法 ,采用 DSP作为中 央处理单元 ,完成三轴组合的时序控制、数字解调、滤波算法、波形合成及数据传输 ,并对三轴 陀螺进行了全面的性能测试 ,测试结果表明惯性测量单元中每个陀螺零漂均小于 0. 5°/h,标 度因数线性度 < 200 ppm ,达到了预期的设计要求。
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1 引言 光纤陀螺是一种完全不同于常规机电陀螺的
光电传感器。 它没有机械活动部件 ,具有工艺简 单 、体 积 小、 重量 轻 、启 动 速 度快 、灵 敏 度 高、 动 态 范围大、抗冲击和耐过载等一系列的优异性能。在 航 空、 航 天、 航海 等 军 用 及地 质 、石 油 勘探 等 民 用 领域具有广阔的发展前景 ,成为国内外研究的热 点。国内在光纤陀螺研究方面也投入了大量人力、 物力。 目前 ,单轴光纤陀螺技术已经成熟 ,接近实 用化。
光纤陀螺惯性测量单元的设计方案有几种。 本文主要介绍以 DSP为基础进行并行处理的全 数字闭环光纤陀螺惯性测量单元设计方案。 由于 闭环光纤陀螺能提供更大的动态范围以及良好的 标度因数线性度 ,并且实现方法已趋近成熟 ,实验 室样机已达 0. 3°/h的精度 ,所以采用三个单轴全 数字闭环光纤螺组成惯性测量单元无疑是首选方 案之一。
图 2 闭环光纤陀螺相 位调制关系
闭 环 检测 电 路 包 括前 置 放 大、 A /D 转换、 DSP、逻辑器件、 D / A转换及驱动等相关电 路组 成 ,完成数字解调、数字滤滤、阶梯波形成、反馈控 制、时序控制、信号输出等基本功能。
3 惯性测量单元的实现 以闭环光纤陀螺构造的惯性测量单元 ,每个 陀螺有单独的检测电路 , 其基本结构如图 3 所示。 三轴陀螺共用一个现场可编辑的逻辑阵 列 ( FPGA)实现时序控制及阶梯波形成。 一 个 DSP作为中央处理器 ,完成对三轴陀螺的 数 字 调解 、数 字 滤 波、 波 形反 馈 及 数 据 输出 。 为了保证系统的实时性控制 , DSP软件采用 中断方式完成解调和信号输出 ,并保证信号 输出的优先级高于陀螺信号处理的优先级。 其基本程序框图如图 4所示 ,数字解调中断 服务子程序如图 5所示。
2 闭环光纤陀螺的硬件组成 闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤环中人为
地引入一非互易的补偿相移 ,以抵消由于光纤环 转动产生的 Sag nac相移。 补偿相移与 Sag nac相 移大小相等、方向相反 ,使光纤陀螺始终工作在灵 敏度最高的零相位差点附近。 陀螺的输出信号可 以从补偿相位中获得。这时 ,陀螺的动态范围和线 性度取决于引入补偿相位的器件性能。 在电路实 现上 ,根据选用的解调手段和进行相位调制的控 制波形的不同 ,闭环光纤陀螺又分为模拟闭环和 数字闭环。模拟闭环采用钮齿波来实现相位补偿 , 数字闭环采用数字阶梯波反馈来实现相位补偿。 由 于模 拟 闭 环采 用 的 锯 齿波 要 求 具有 短 的、 稳 定 的回归时间来提高标度因数的线性度及稳定度 , 在技术上有一定难度。 因而目前国内外一般都采 用数字阶梯波反馈的数字闭环方案 ,如图 1所示。
惯性测量单元为导航、制导和控制系统的核 心 ,主要由以下几部分组成:
①陀螺传感器 ,用于敏感角速度或角度。
②加速度计传感器 ,用于敏感比力 ,从而获得 速度、位置的变化量。
③处理器部件 ,用于处理陀螺和加速度计传 感器数据 ,形成系统解算所需的信息。
随 着以 计算机 为“ 数学 平台 ”的捷 联技 术的 发 展 ,由捷联式测量单元构成的系统在某些应用中 正在逐渐取代传统的框架式系统。对惯性器件 (陀 螺仪和加速度计 )也提出了更高的要求 ,而传统的 机电陀螺已很难满足这方面的要求。 光纤陀螺作 为中等精度器件 ,应用于惯性测量单元中 ,具有令 人称道的特性。与挠性陀螺相比 ,它具有抗冲击及 可靠性高等特性 ; 与激光陀螺相比 ,具有体积小、 成本低及无闭锁的特点。因此 ,特别适合于构造惯
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电容解调器 ,开关采用 CM OS工艺 ,开关由电容 电桥互为反相的两个电压 Vs 驱动 ,其解调输出为 V 0= - CCif· Vi。
4 结论 综上所述 ,加速度计检测电路可以采用具有
单位增益缓冲放大器的交流电容电桥检测电路 , 再经同步解调器输出。 但受电路分布电容和噪音 的影响 ,欲实现较高精度 ,还必须将上述电路与电 容传感器集成在一个基片上 ,使这种扭摆式加速 度计具有检测 10 μg加速度的潜力。
图 1 闭环光纤陀螺原理框 图
4 陀螺性能测试 ①陀螺结构参数见表 1所示
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宋凝芳等: 光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现
图 3 惯性测量单元 的构成框图
图 4 主程序流程 图
图 5 中断子程序流程图
表1
光纤长度
光纤环直径
SL D功率
Y 波导半波 电压
X 轴 500 m
Abstract: This paper describes a n im plenent atio n method o f Inertia l M easurem ent Uni ts ( IM U) using all digi tal Fiber Optic Cyro sco pes( FOG) . Th e timi ng cont ro l, digi tal demodulati on, fi lt er alg orit hms, w av efo rm combi nat aon a nd dat a com munica tion fo r t he three axis int eg rat ed FO G a re carri ed out by a digi tal sig nal processo r( DSP) . T he test result of three FOGs i s presented. The perfo rmance o f < 0. 5°/h bias st abilit y, < 200ppm scale f act or accuracy is achiev ed, and the system sa ti sfi es the desig n requi rem ent s. Key words: Fiber Optic Gy roscope; i nerti al measurement unit; digi tal si gnal processor;
中国惯性技术学报 1999年 3月第 7卷第 1期
· 仪表研究与设计· 文章编号: 1005 6734( 1999) 01 0028 04
光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现
宋凝芳 , 张春熹 , 马迎建 , 杜新政 , 张维叙
(北京航空航天大学 ,北京 100083)
图 11 Z轴陀螺标度因数线性度曲线
5 结论分析
三只陀螺的性能测试参数如表 2所示。
由测试结果可以看出 ,采用 DS P并行处理的
三轴陀螺惯性测量单元的设计方案是可行的 ,它
具有易于实现、算法灵活等优点 ,并达到了预期的
设计要求。
(下转第 35页 )
赵长德等: 微机械加速度计及电容检测电路的设计
76 mm 80 μW
Байду номын сангаас
2. 4 V
Y 轴 500 m
76 mm 80 μW
2. 1 V
Z轴
500 m
76 mm 80 μW