基于光纖陀螺儀的軌道方向不平順檢測系統(tǒng)

1.引言：

軌道不平順[1]檢測方法有絕對測量與相對測量兩大類，目前應用廣泛的是相對測量法。相對測量[2]又分弦測法、慣性基準法、慣性元件測量法等不同方法。其中弦測法[3]、慣性基準法使用較多。由于慣性測量元件成本高昂、體積龐大等原因，慣性元件測量法一般只局限在大型軌檢車上應用。

隨著慣性元件成本的不斷降低及其日漸小型化，該測量方法在小型軌檢小車上的應用正逐步成為可能。其中，光纖陀螺儀[4]作為一種高精度慣性測量元件，以前主要應用于軍事、航空等重要領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應用于民用工業(yè)。

本文詳細描述了一種由VG951[5]、AD7714、P89V51RD等組成的軌檢小車用軌道方向不平順慣性測量系統(tǒng)及相關(guān)算法。該慣性測量系統(tǒng)也可用于軌道高低不平順的測量。

2.系統(tǒng)要求與技術(shù)關(guān)鍵

慣性法測量軌向、高低不平順時，實質(zhì)上是按位置測量軌道水平方向的擺角或垂直方向的俯仰角。

采用陀螺儀檢測軌向時，由于軌道在一定長度上的水平擺角不可能很大，軌檢小車的推行速度又很低，陀螺儀所感受的角速度的值是很小的，其輸出信號很微弱，很容易被噪聲淹沒。因此，本系統(tǒng)設(shè)計時，必須從噪聲背景中提取出微弱的角速度信號，并通過積分方法實現(xiàn)角度信號的輸出。

陀螺儀零位漂移是影響本系統(tǒng)性能的另一個關(guān)鍵性問題，也是陀螺儀選型時必須認真考慮的首要因素。

3.系統(tǒng)設(shè)計

VG951光纖陀螺儀是根據(jù)薩格納克效應研制的，即光在薩格納克效應中產(chǎn)生的光程差與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，從而可通過光的干涉結(jié)果推算角速度，其輸出信號與角速度成正比。其主要關(guān)鍵技術(shù)指標為：偏差穩(wěn)定性：0.3 - 1deg/hr;隨機游走：0.002deg/sqrtHz;工作范圍：80deg/sec;

偏差重復性(offset) 1°/hr,1 sigma;偏差變化(恒穩(wěn)態(tài))0.3°/hr,1 sigma;比例因子37mV/°/s±10%;外部磁場1°/hr/Gauss;輸出阻抗1000Ω。由此可以看出，VG951是一種穩(wěn)定性好、漂移小、重復性好、抗磁能力強的性能優(yōu)異的光纖陀螺儀產(chǎn)品。

陀螺儀用于檢測軌向時輸出信號很微弱，因此，必須選用低噪聲運放電路，并合理設(shè)置濾波電路。本系統(tǒng)選用高精度低噪聲的儀用放大器AD620，其最佳源電阻在1000Ω左右，正好與VG951相匹配，能最大限度地減少由于電路阻抗不匹配產(chǎn)生的噪聲[6] 。該放大電路與無源 RC濾波電路組合，能夠有效保證前置放大電路的品質(zhì)。

AD 公司的A/D轉(zhuǎn)換器AD7714[6]是一款帶信號處理功能的串行A/D，可直接從傳感器接受低電平信號，使用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)高達24bit的無誤碼模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7714內(nèi)置數(shù)字濾波功能，可編程設(shè)置濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時間。本系統(tǒng)可同時接受和處理二路VG951的輸入。 AD7714參考端電壓(+3.0V)由AD780提供。

陀螺儀信號是雙極性信號，且信號地與電源地相通。雖然AD7714可以接受雙極性輸入，但有一個限制條件，即信號相對于AGND的電壓不能低于-30mv。因此，必須將陀螺儀信號平移一個基準電壓(+1.5V)，該電壓由AD780分壓提供。

系統(tǒng)以Philips公司的P89V51RD2[8]為控制與數(shù)據(jù)處理中心。P89V51RD2是一種高性能的80C51兼容型單片機，片內(nèi)內(nèi)置64K程序存儲器,768+256Byte數(shù)據(jù)存儲器，可利用 Philips提供的ISP/IAP程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線編程(在系統(tǒng)或在應用編程)。該CPU管理并控制著數(shù)據(jù)采集過程，由T2 定時器給AD7714的數(shù)字積分提供精確定時，并完成陀螺儀測量數(shù)據(jù)的實時分析與處理工作。圖1為簡化硬件原理圖。

同時，P89V51RD2還是與軌檢小車主CPU進行數(shù)據(jù)通訊的控制器，成為軌檢小車多CPU主從結(jié)構(gòu)的一個基礎(chǔ)端點。

圖1 簡化硬件原理圖

4.零點漸變算法

受陀螺儀零飄以及AD7714 AIN端信號偏置、基準電壓和參考電壓穩(wěn)定性等因素的影響，AD7714輸出信號的零點(陀螺儀角速度為零時輸出信號)呈現(xiàn)出一定程度的波動。如果采用一次平均法計算零點，則隨著時間變化實際零點漂移會很大，既實際零點與一次平均法所求的零點之差會變得很大，這樣僅僅零點之差求和(既積分)就會產(chǎn)生不容忽視漂移。圖2系列3曲線為一次平均法(求取零點)所產(chǎn)生的零點積分漂移曲線.

零點漸變算法的基本思路是：用多次平均法代替一次平均法求取零點。首先在陀螺儀靜止不動(角速度為零)時，采集八個數(shù)據(jù)(實際零點)作為樣本，這些樣本叫做零點樣本，求它們的均值，并稱該值為基準零點，第一個基準零點叫初始基準零點，然后每采集八個零點樣本求得一個新的基準零點。當陀螺儀運動(角速度不為零)時，零點樣本由上次所求的基準零點代替，這樣不管陀螺儀狀態(tài)如何，每采集八個數(shù)據(jù)都可獲得八個零點樣本，既獲得一個基準零點，由于實際零點與基準零點隨時間幾乎同時變化，所以它們之差不會隨時間變化而變得很大，這樣零點之差求和(既積分)產(chǎn)生的漂移將大大減少，零點漂移積分效果見圖2系列3曲線。由上所述，求取零點樣本為關(guān)鍵所在，下面是判斷零點(陀螺儀角速度為零)依據(jù)。

由于陀螺儀VG951最小可分辨的角速度為0.002º/s，其比例因子為37mv/(º/s),換算成電壓為37*0.002=74µV，用十六進制數(shù)據(jù)表示為74/(3*1000000)/*224=19D，AD采集的數(shù)據(jù)用3字節(jié)數(shù)據(jù)表示：XX XX XX，顯然陀螺儀信號只能精確到16位。所以信號采集的精度在16位以上就可以。如果采集的信號與(初始)基準零點相減，其差值在100以下，可以認為這時陀螺儀角速度為零，信號可作為零點樣本。若差值大于100則認為是非零信號(陀螺

儀角速度不為零)，該點零點樣本由上次所求的(初始)基準零點代替。

圖2 陀螺儀靜止不動時零點積分漂移曲線

5.實驗效果

軌道方向(陀螺儀轉(zhuǎn)過的角度)是通過實際采集的信號與上次所求的(初始)基準零點之差求和實現(xiàn)。實驗輸出曲線見圖 3其中橫坐標為秒，縱坐標為角度量(未標定位為實際角度)，由圖3可知在1小時內(nèi)角度漂移沒超過400000，化為實際角度為：400000/16/224*3/0.037=0.06º，漂移非常小。突變曲線是陀螺儀緩慢運動時輸出的，反應非常靈敏。

圖3 陀螺儀輸出軌向圖

6.結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點：該系統(tǒng)采用精密的光纖陀螺儀作為小型軌檢車測量方向不平順的傳感器，這是一種新的嘗試,并在實踐中逐步形成了零點漸變算法,此算法是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。帶有數(shù)字濾波功能的24位A/D AD7714的應用提高了抗干擾能力及測量精度，零點漸變算法、積分功能使得所求角度漂移小精度高，而P89V51RD2提供了更大的數(shù)據(jù)存儲空間，其ISP/IAP功能利于對系統(tǒng)程序的修改或升級。

參考文獻：

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[8]周立功單片機PHILIPS 80C51系列單片機應用設(shè)計[EB/OL].