專利名稱：一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種開環(huán)光纖陀螺，特別涉及一種開環(huán)光纖陀螺輸出誤差的補(bǔ)償方法，適用于中低精度的低成本導(dǎo)航系統(tǒng)及定位、定向系統(tǒng)等。
背景技術(shù)：
開環(huán)光纖陀螺具有零偏小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，成本低的特點(diǎn)，在低成本的姿態(tài)、導(dǎo)航系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。在小型化閉環(huán)光纖陀螺的體積、價(jià)格、性能、可靠性等綜合性能沒有達(dá)到要求前，開環(huán)光纖陀螺在中、低精度應(yīng)用領(lǐng)域還有很大的應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)應(yīng)用的開環(huán)光纖陀螺多是俄羅斯研制的開環(huán)光纖陀螺，并且國內(nèi)已經(jīng)引進(jìn)了俄羅斯開環(huán)光纖陀螺的生產(chǎn)線。俄羅斯Fizoptic的產(chǎn)品目錄中，中、低精度系列開環(huán)光纖陀螺VG941-3系列、VG949系列、VG910系列產(chǎn)品的原始輸出信號(hào)最大線性度誤差達(dá)15％，對(duì)應(yīng)著幾十度每秒的角速度測(cè)量誤差。線性度誤差特別是大角速度機(jī)動(dòng)情況下的線性度誤差所引起的角速率測(cè)量誤差限制了開環(huán)光纖陀螺在大動(dòng)態(tài)范圍機(jī)動(dòng)載體上的應(yīng)用。因此，補(bǔ)償由于開環(huán)光纖陀螺的線性度誤差引起的輸出誤差成為亟待解決的問題。
國軍標(biāo)《光纖陀螺儀參數(shù)及其測(cè)試方法》(GJB 2426-95)定義光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)為陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，它是用某一特定直線的斜率來表示，該直線是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測(cè)得的多于11個(gè)輸入角速率的正反轉(zhuǎn)輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。對(duì)于輸入、輸出線性度較好的閉環(huán)光纖陀螺來說，這是一種有效的方法。但開環(huán)光纖陀螺原始輸出數(shù)據(jù)是非線性的，因此采用上述方法是不適用的。
解決開環(huán)光纖陀螺線性度誤差問題有兩個(gè)思路一是在硬件結(jié)構(gòu)上采取閉環(huán)方案，讓陀螺始終工作在線性度好的工作區(qū)間上。這種方案可以很大程度提高陀螺的精度，但卻增加了硬件的復(fù)雜性、提高了成本，且在小型化、響應(yīng)速度與可靠性等方面受到了極大的限制，而且其主要應(yīng)用于中、高精度的場(chǎng)合；二是軟件補(bǔ)償方法。該方法通常采取誤差系數(shù)標(biāo)定的方法，即先測(cè)試出一個(gè)開環(huán)光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)(這個(gè)標(biāo)度因數(shù)不能反映開環(huán)光纖陀螺在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)輸出的非線性)。然后通過轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出與角速度有關(guān)的標(biāo)度因數(shù)誤差系數(shù)、安裝誤差系數(shù)、交叉耦合系數(shù)和與加速度有關(guān)的誤差系數(shù)等，并利用得到的誤差系數(shù)對(duì)開環(huán)光纖陀螺的輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，提高陀螺輸出信號(hào)的精度。但由于開環(huán)光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)本身的非線性，所以在計(jì)算誤差系數(shù)時(shí)容易把開環(huán)光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)非線性引起的誤差當(dāng)成其它因素引起的誤差，產(chǎn)生誤差系數(shù)的耦合，影響補(bǔ)償?shù)木取?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，該方法減小了精確標(biāo)定過程中誤差系數(shù)間的耦合，有效地提高了標(biāo)定精度；同時(shí)提高了開環(huán)光纖陀螺的精度、拓展了其應(yīng)用范圍，且簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能，選擇單輸入單輸出的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速度與開環(huán)光纖陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，應(yīng)用誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到最優(yōu)的權(quán)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)開環(huán)光纖陀螺輸入、輸出信號(hào)的建模及對(duì)輸出信號(hào)的高精度補(bǔ)償，具體步驟如下(1)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為了實(shí)現(xiàn)開環(huán)光纖陀螺的輸出建模、補(bǔ)償，取開環(huán)光纖陀螺的輸出電壓為輸入量，陀螺敏感的角速度為輸出量來構(gòu)建單輸入單輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)變化的k不能用一個(gè)簡單函數(shù)來表示，但隨著角速度的增大，k逐漸減小，且有非線性的變化趨勢(shì)。因此，選擇三層(即輸入層、隱層、輸出層)結(jié)構(gòu)的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)開環(huán)光纖陀螺的輸出建模與補(bǔ)償。本發(fā)明直接對(duì)開環(huán)光纖輸出信號(hào)進(jìn)行處理輸出補(bǔ)償后的信號(hào)，所以輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)可選為3～5間。
(2)獲取學(xué)習(xí)樣本用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決實(shí)際問題的首要工作是收集學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)。為了使學(xué)習(xí)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的性能，所收集的樣本數(shù)據(jù)應(yīng)該反映要解決問題的全部模式。本發(fā)明以轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速度和在該角速度下的開環(huán)光纖陀螺輸出電壓信號(hào)為學(xué)習(xí)樣本的輸出與輸入。在整個(gè)量程內(nèi)可以等角速度間隔獲取多個(gè)學(xué)習(xí)樣本對(duì)，也可以非等角速度間隔獲取學(xué)習(xí)樣本對(duì)，使學(xué)習(xí)樣本覆蓋整個(gè)開環(huán)光纖陀螺的測(cè)量范圍。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有泛化能力，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)對(duì)開環(huán)光纖陀螺的高精度補(bǔ)償。
獲取學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)是通過轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的首先通過夾具把陀螺固定在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后在±ωm(ωm是開環(huán)光纖陀螺的最大檢測(cè)角速度)范圍內(nèi)分別給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入多個(gè)角速度，在給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入每一個(gè)角速度的同時(shí)采集開環(huán)光纖陀螺輸出的電壓數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速度和在該角速度下采集的陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本。
(3)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在步驟(1)得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和步驟(2)得到的學(xué)習(xí)樣本的基礎(chǔ)上，采用BP算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并得到最優(yōu)的模型參數(shù)。
(4)補(bǔ)償開環(huán)光纖陀螺輸出誤差把開環(huán)光纖陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)輸入到步驟(3)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)簡單。
本發(fā)明的原理開環(huán)光纖陀螺敏感載體相對(duì)慣性空間的角速率，其基本工作原理是在光纖陀螺的角速度敏感部分(光纖環(huán))中有兩束沿相反方向傳播的光。當(dāng)載體帶動(dòng)光纖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩束光間因Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生了光程差(對(duì)應(yīng)相位差)，在光纖環(huán)出口處發(fā)生干涉現(xiàn)象引起光強(qiáng)的變化。通過檢測(cè)輸出的光強(qiáng)就可得到載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
輸出光強(qiáng)可表示為I(t)＝PI0{1+cosΔφS[J0(φe)+2J2(φe)cos2ωmt′+2J4(φe)cos4ωmt′+...] (1)-2sinΔφS[J1(φe)sinωmt′+J3(φe)sin3ωmt′+...]}式中I(t)-輸出光強(qiáng)P-光路部分放大系數(shù)I0-輸出光強(qiáng)的峰值ΔφS-由Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的相移，單位是弧度Jn(φe)-n階Bassel函數(shù)ωm-調(diào)制頻率t′＝t-τ/2，τ是光纖環(huán)的群時(shí)延，t是時(shí)間φm是調(diào)制幅度φe＝2φmsin(ωmτ/2)是有效的相位調(diào)制，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要設(shè)計(jì)成常值。
此時(shí)可求出Bassel函數(shù)Jn(φe)=Σk=0∞(-1)k(12φe)n+2kk!(n+k)!---(2)]]>將(1)式表示的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，檢測(cè)信號(hào)不同階次的諧波分量，經(jīng)過處理可得到開環(huán)光纖陀螺的輸出信號(hào)。只檢測(cè)信號(hào)一次諧波分量的方案具有電路簡單、可靠性高、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，其輸出電壓信號(hào)U可表示為U=U0+ksin(Δφs)=U0+ksin(4πRLNcλω)---(3)]]>即ω=cλ4πRLNasin(U-U0k)---(4)]]>式中U是開環(huán)光纖陀螺的輸出電壓
U0是由開環(huán)光纖陀螺常值漂移引起的輸出電壓，在陀螺使用前的測(cè)試中給出k是陀螺輸出電壓與sin(ΔφS)間的比例系數(shù)ω是開環(huán)光纖陀螺輸入角速度R是光纖環(huán)的半徑，L是繞光纖環(huán)的光纖長度，N是光纖纏繞的圈數(shù)，c是光速，λ是光波長。
在小角度的情況下，可以近似認(rèn)為sin(ΔφS)≈ΔφS，因此(3)式可以表示為U-U0＝Kω (5)式中K=k4πRLNcλ]]>是開環(huán)光纖陀螺輸入、輸出間的比例系數(shù)，也就是陀螺的標(biāo)度因數(shù)。
式(3)中的k在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可認(rèn)為在整個(gè)量程范圍內(nèi)是恒定的，但在實(shí)際中由于光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理與濾波過程存在的非理想因素，k在整個(gè)開環(huán)光纖陀螺測(cè)量范圍內(nèi)是變化的。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)隨著角速率增大，k是逐漸減小的，且不能用一個(gè)簡單的函數(shù)來表示。因此，不能直接按(4)式以求反正弦函數(shù)的形式計(jì)算陀螺輸入角速度。(5)式是在小角度情況下的一種近似，在陀螺輸入角速度較大時(shí)誤差很大。
本發(fā)明提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的輸入與輸出間的非線性映射關(guān)系，經(jīng)過設(shè)計(jì)具有Sigmoid非線性函數(shù)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能逼近任意非線性函數(shù)，且具有泛化能力，即訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)能夠正確給出非學(xué)習(xí)樣本的輸入輸出關(guān)系。因此，采用此方法能實(shí)現(xiàn)開環(huán)光纖陀螺信號(hào)的高精度補(bǔ)償。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償開環(huán)光纖陀螺輸出信號(hào)，不需要知道開環(huán)光纖陀螺輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的解析關(guān)系，具有實(shí)現(xiàn)簡單、有效的特點(diǎn)。
(2)本發(fā)明屬于軟件補(bǔ)償方法，具有實(shí)現(xiàn)簡單，成本低廉的特點(diǎn)。
(3)本發(fā)明對(duì)開環(huán)光纖陀螺的輸出信號(hào)直接進(jìn)行補(bǔ)償，減小了精確標(biāo)定過程中誤差系數(shù)間的耦合，有效地提高了標(biāo)定精度。


圖1為本發(fā)明的開環(huán)光纖陀螺誤差補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)過程的示意圖，其中虛框中的部分是對(duì)開環(huán)光纖陀螺實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟襟E，虛圖上面部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。
具體實(shí)施例方式
以一個(gè)具體實(shí)施例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，主要包括以下四個(gè)步驟(1)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型本實(shí)施例取開環(huán)光纖陀螺輸出電壓為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，陀螺敏感的角速度為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量來構(gòu)建單輸入單輸出的三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。選擇輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。
(2)獲取學(xué)習(xí)樣本本實(shí)施例獲取學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)是通過轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的首先把陀螺通過夾具固定在單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后在±ωm(ωm是開環(huán)光纖陀螺的最大檢測(cè)角速度)范圍內(nèi)分別給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入多個(gè)角速度，在給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入每一個(gè)角速度的同時(shí)采集開環(huán)光纖陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速度與對(duì)應(yīng)的開環(huán)光纖陀螺輸出電壓如下

表中轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速度的單位為°/s，陀螺輸出的單位為V(伏特)(3)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)其功能，本發(fā)明把步驟(2)得到的學(xué)習(xí)樣本歸一化，采用BP算法訓(xùn)練由步驟(1)得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到其模型參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程是通過不斷調(diào)整輸入層與隱層的權(quán)系數(shù)w1、隱層與輸出層的權(quán)系數(shù)w2，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望值的誤差很小直到滿足應(yīng)用的要求。
(4)補(bǔ)償開環(huán)光纖陀螺輸出誤差本實(shí)施例中轉(zhuǎn)臺(tái)在角速度為300°/s的情況下，未補(bǔ)償前開環(huán)光纖陀螺輸出為286.4154°/s，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后到的角速度為299.4706°/s。可見應(yīng)用經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很好地補(bǔ)償了開環(huán)光纖陀螺的輸出誤差，為下一步高精度的標(biāo)定系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，其特征在于步驟如下(1)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型取開環(huán)光纖陀螺的輸出電壓為輸入量，陀螺敏感的角速度為輸出量來構(gòu)建單輸入單輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；(2)獲取學(xué)習(xí)樣本以轉(zhuǎn)臺(tái)的輸入角速度和在該角速度下的開環(huán)光纖陀螺輸出電壓信號(hào)為學(xué)習(xí)樣本的期望輸出與輸入，獲得學(xué)習(xí)樣本；(3)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在所述步驟(1)得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和步驟(2)得到的學(xué)習(xí)樣本的基礎(chǔ)上，采用BP算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并得到最優(yōu)的模型參數(shù)；(4)補(bǔ)償開環(huán)光纖陀螺輸出誤差將開環(huán)光纖陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)輸入到步驟(3)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，其特征在于所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)為三層，即輸入層、隱層和輸出層，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3～5間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(2)中在整個(gè)量程內(nèi)等角速度間隔獲取多個(gè)學(xué)習(xí)樣本，或非等角速度間隔獲取學(xué)習(xí)樣本，使學(xué)習(xí)樣本覆蓋整個(gè)開環(huán)光纖陀螺的測(cè)量范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(2)中獲取學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)是通過轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其方法為首先把陀螺通過夾具固定在單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后在±ωm-開環(huán)光纖陀螺的最大檢測(cè)角速度范圍內(nèi)分別給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入多個(gè)角速度，在給轉(zhuǎn)臺(tái)輸入每一個(gè)角速度的同時(shí)采集開環(huán)光纖陀螺輸出電壓數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)光纖陀螺輸出誤差補(bǔ)償方法，包括以下四個(gè)基本步驟(1)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；(2)獲取學(xué)習(xí)樣本；(3)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(4)補(bǔ)償開環(huán)光纖陀螺輸出誤差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布并行處理，非線性映射，魯棒容錯(cuò)和泛化能力強(qiáng)等特性，使得它在智能信息處理方面有廣泛的應(yīng)用。訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能很高精度地逼近開環(huán)光纖陀螺輸入輸出信號(hào)的非線性函數(shù)且具有很強(qiáng)的泛化能力，能在整個(gè)開環(huán)光纖陀螺輸出測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開環(huán)光纖陀螺輸出信號(hào)的高精度補(bǔ)償。本發(fā)明克服了線性度誤差對(duì)陀螺輸出精度的影響，提高了開環(huán)光纖陀螺的精度、拓展了其應(yīng)用范圍，也可用于其它傳感器輸出信號(hào)的建模與補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G01C19/72GK1862229SQ20061009051
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者房建成, 張延順, 楊勝, 李金濤, 張海鵬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)