压电陀螺信号处理与滤波技术研究

　　压电陀螺是一种基于压电效应的固态惯性器件。它具有成本低,体积小,质量轻,供电方便,耐冲击,寿命长,测量范围宽,启动快和可靠性高等显著特点。在火箭、导弹、鱼雷、炸弹和智能炮弹的制导、姿态稳定控制和弹道测量中得到越来越广泛的应用。但压电陀螺在实际应用中存在着弱非线性、非平稳、慢时变的随机误差,且信号的输出受外部环境不确定因素的影响,必须对压电陀螺的输出信号进行处理和滤波,提高压电陀螺的使用精度。

　　1　压电陀螺建模与测试

　　压电陀螺由敏感器件和电子线路组成,敏感元件是一根矩形金属梁,在梁上贴有4个压电换能器,压电换能器用高机电耦合系数的陶瓷材料制作。由于驱动电路对敏感器件作用,借助逆压电效应使金属梁产生一定频率和振幅的弯曲振动,当梁的敏感方向上有角速度输入时,读出放大器将读出换能器上由于正压电效应产生的电压信号加以放大,经过调制解调便可检出由惯性力引起的信号,获得跟输入角速度成正比的电压信号[1]。

　　压电陀螺输出的信号为模拟电信号,导航、姿态控制等系统运用压电陀螺时常需要将角度率电信号转换为数字信号。根据压电陀螺的输出原理可知,压电陀螺输出受线加速度的影响很小,因此得到压电陀螺的误差模型[2]:

　　wz=ωz0+Skzωz+Kzyωy+Kzxωx(1)

　　式中 wz为压电陀螺的输出;ωz0为压电陀螺常值漂移;ωx、ωy分别为输出轴与振动轴的角速率;Skz为陀螺仪标度因数;Kzy、Kzx分别为陀螺仪轴的安装误差系数。

　　通过转台输入一系列固定角速率,采用最小二乘可拟合出式(1)中各项系数,从而得到从电压信号到角速率信号的转换。在0.5~30 (°)/s范围内,通过转台正转、反转方向输入角速度范围,分别不能少于11个角速度档进行测试。

　　利用最小二乘法得到压电陀螺的标度因数:

　　式中 Fj为第j个输入角速率ωij时陀螺仪的输出值;K为标度因数;M为输入角速率个数。

　　对两轴的正反转输出求差,可获得安装误差系数Kzx、Kzy,即

　　Kzx=Wx+-Wx-2(ωz+ωesinφ)(3)

　　Kzy=Wy+-Wy-2(ωz+ωesinφ)(4)

　　2　信号滤波

　　在进行导航计算或参与姿态控制前,压电陀螺的输出信号必须经过滤波处理,以保证其信号精度。压电陀螺的输出角度率信号中包含了大量的随机噪声和随机漂移,为提高压电陀螺的使用精度,可对其输出采用α-β滤波、卡尔曼滤波和小波滤波进行处理,提高使用精度。

　　2.1　α-β滤波

　　α-β滤波器是恒增益的2阶递归滤波器,其递推公式为

　　X^ (k)=X^ (k/k-1)+α[Z(k)-X^ (k/k-1)](5)