技术领域
[0001] 本
发明属于
传感器应用的技术领域，具体而言，主要用于当被测量对象的响应特性比较稳定时，对加速度计
信号低频性能的优化。
背景技术
[0002] 传感器融合已经广泛应用于各个领域，如自动目标识别、战场监视、自动
飞行器导航、
机器人、遥感、医疗诊断、
图像处理、
模式识别和复杂工业过程控制等领域。每个单传感器都有自己的
缺陷，多传感器融合利用各传感器的优势进行互补，扩宽传感器时间和空间上的观测范围，提高系统的可靠性和鲁棒性，增强数据的可信度；在小型化和轻量化作为时代的潮流和趋势的情形下，现在很多的系统会出现负载和安装空间受到限制的情况，系统可能只允许系统安装一个或者一组传感器。在这样的情况下，传感器所得的信息就无法对系统进行完全和精确的解释和描述，更不必说用多传感器融合的方式来提高系统了。近年来，随着微
机电系统工业的迅速发展，其惯性传感器的性能有了很大的提升，比如MEMS加速度计，MEMS陀螺，它们体积小，重量轻，价格便宜，功耗低。特别是MEMS加速度计，它们的带宽可以达到1Kz。在此背景下，MEMS加速度计就给系统的小型化和轻量化提供了巨大的可能性。但加速度计的低频性能会受到漂移和噪声的严重影响，这阻碍了加速度计的应用。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是：针对安装在惯性稳定平台上的加速度计传感器，当平台在做低频的运动时，平台的加速度会特别小，而由于加速度计中存在的噪声，平台真实的加速度信号会被噪声
覆盖。更糟糕的是除了噪声之外，加速度计的信号还会受到漂移的影响。总之，当安装加速度计的平台工作在一个低频的环境下时，加速度计的信号会受到漂移和噪声的严重影响，进而会直接影响到系统在低频的性能。
[0004] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种加速度计低频漂移和噪声的抑制方法，具体步骤为：
[0005] 步骤(1)、对系统的加速度模型进行建模；其中，所述系统的加速度模型，是指系统的驱动输入
电压与平台输出
角加速度之间的频域传递函数关系；
[0006] 步骤(2)、利用加速度计在中高频的精确信号拟合得到系统加速度模型具体参数；其中，所述拟合是指通过对系统扫频得到实测的系统的加速度传递函数bode图；画出步骤(1)中所得的所述系统的加速度模型对应的bode图；调整加速度模型的具体参数，使得这两个bode图的曲线高度重合，拟合结束后，此时对应的加速度模型的参数，就是系统加速度模型的具体参数；
[0007] 步骤(3)、取虚拟加速度计的低频信息和实际加速度计中高频信息融合，其中，虚拟加速度计是指系统驱动输入电压和系统的加速度模型这个整体，融合的具体过程是通过虚拟加速度计通过一个低通
滤波器与实计加速度计通过一个
高通滤波器进行
叠加。
[0008] 利用以上三个步骤，即可完成加速度计在低频的噪声和漂移的抑制，消除加速度计的漂移和噪声给系统带来的不利影响，进而达到提升系统低频性能的效果。
[0009] 本发明的原理在于：将平台的驱动输入和系统加速度模型整体视为一个虚拟加速度计，系统加速度模型的具体参数可以通过实际加速度计在中高频的精准数据来进行辨识，由系统的驱动输入和系统加速度模型计算得到的加速度，在低频并不会受到漂移和噪声的影响。换言之，这个由平台驱动和系统加速度模型构成的虚拟加速度计，是一个低频性能比真实加速度计好的加速度计。取此虚拟加速度计的低频信号和真实加速度计的中高频进行融合，即可得到一个低频和中高频都比较准确的加速度信号。
[0011] (1)相对于直接采用加速度计的信号来进行控制系统，该发明能够有效降低加速度计低频噪声和漂移对系统的不利影响，甚至可以解除由于考虑加速度计噪声和漂移影响的
控制器设计的限制。
[0012] (2)相对于其它的信号优化办法，该发明不仅是工程实现简便，而且充分利用系统本身的条件，不会给系统增加额外的成本、空间、负载和功耗。
[0013] (3)随着加速度计器件的快速发展，其具有成本低、体积小、功耗低的特点，在解决单个加速度计的缺陷后，该发明对于各种系统的小型化和轻量化也起着推动的作用。
附图说明
[0014] 图1为装有加速度计的惯性稳定平台；
[0015] 图2为平台驱动
电机以及负载的物理原理图；
[0016] 图3为系统加速度模型拟合；
[0017] 图4为加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，其中，图4(a)为0.1Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，图4(b)为0.3Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，图4(c)为0.5Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，图4(d)为1.0Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，图4(e)为5.0Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图，图4(f)为20.0Hz时加速度计实测信号与通过本发明融合得到的信号的对比图。
[0018] 图5为一种加速度计漂移和噪声的抑制方法原理
框图。
具体实施方式
[0019] 以下结合附图说明本发明的
实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括
权利要求书限定的全部内容；而且通过以下实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求书的全部内容。
[0020] (1)本发明实施例的研究对象为图1所示的惯性稳定平台，下面以基于音圈电机驱动的惯性稳定平台在单方向上稳定过程为例，对其模型进行简化分析，于是可得其等效物理关系，如图2所示。由物理原理可推导出驱动输入电压电压和输出偏转角度的传递函数：
[0021]
[0022] 其中，Ua为音圈电机的电枢电压(V)，Ue为音圈电机的反电势(V)，Ra为音圈电机电枢回路
电阻(Ω)，La为音圈电机电枢回路电感(mH)，Ia为音圈电机电枢回路
电流(A)，Kb为音圈电机的反电势系数(V·s/m)，Cm为音圈电机的
力系数(N/A)，Ma为音圈电机产生的电磁力矩(N·m)，JL为平台的负载
转动惯量(kg·m2)，K为弹性
支撑弹性系数(N/m)，fm为平台的机械阻尼系数(N·s/m)，ωa为音圈电机的
角速度(rad/s)，θa为平台的偏转角(rad)，d为弹性支撑到音圈电机中心距离。
[0023] 由此可见，平台偏转角度与输入电压的传递模型呈现为一个近似三阶滤波器环节。由于分子为常数，其在低频段，输入电压与输出角度可认为是一个比例特性，这也说明输入电压在物理量纲上对应输出角
位置。根据多项式理论，分母的三阶多项式总存在一个实数根，因此平台的位置开环传递函数可以分解为一个惯性环节和一个二阶振荡环节的
串联。
[0024]
[0025] 其中，Gp(s)表示系统的位置开环传递函数，Kp表示位置开环传递函数的开环增益，表示二阶震荡环节的自然频域，ξ表示二阶震荡环节的阻尼比，Te表示惯性环节的时间常数。
[0026] 根据输出偏转角度和输出偏转角加速度的物理对应关系，可得平台的加速度模型为：
[0027]
[0028] 其中，Ga(s)表示系统的加速度开环传递函数，Ka表示加速度开环传递函数的开环增益。
[0029] (2)图3显示了系统扫频得到实测的系统的加速度传递函数bode图，以及利用加速度模型拟合画出的bode图。从图3中可看出，系统实测的曲线和模型的曲线在中高频高度匹配，而低频的不匹配，是因为本身系统实测的加速度信号以及被漂移和噪声严重污染了。
[0030] (3)虚拟加速度计的低频信息和实际加速度计中高频信息融合具体的公式如下：
[0031]
[0032] 其中，drive_out表示驱动输入电压， 表示加速度模型， 表示一个
低通滤波器，ACCfusion表示融合后的加速度，ACCsensor表示加速度计测量型号， 表示高通滤波器。ACCfusion表示通过虚拟加速度计和实际加速度计融合后的新的加速度信号。图4加速度计实测信号和通过本发明融合得到的信号的对比，可以看出，在低频范围内，融合得到的加速度信号比加速度计实测的信号要好；而在中高频范围内，融合得到的加速度信号在峰值的地方表现出了很平滑的特性。
[0033] 利用以上三个步骤，即完成系统加速度计漂移和噪声的抑制，使用融合后的加速度信号来对系统实施对应控制方法，从而以消除加速度计的漂移和噪声给系统带来的不利影响。
[0034] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
