基于光纖陀螺儀的軌道方向不平順檢測系統

1.引言：

軌道不平順[1]檢測方法有絕對測量與相對測量?jì)纱箢?lèi)，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(chē)上應用。

隨著(zhù)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(chē)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(chē)用軌道方向不平順慣性測量系統及相關(guān)算法。該慣性測量系統也可用于軌道高低不平順的測量。

2.系統要求與技術(shù)關(guān)鍵

慣性法測量軌向、高低不平順時(shí)，實(shí)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(shí)，由于軌道在一定長(cháng)度上的水平擺角不可能很大，軌檢小車(chē)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(méi)。因此，本系統設計時(shí)，必須從噪聲背景中提取出微弱的角速度信號，并通過(guò)積分方法實(shí)現角度信號的輸出。

陀螺儀零位漂移是影響本系統性能的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，也是陀螺儀選型時(shí)必須認真考慮的首要因素。

3.系統設計

VG951光纖陀螺儀是根據薩格納克效應研制的，即光在薩格納克效應中產(chǎn)生的光程差與旋轉角速度成正比，從而可通過(guò)光的干涉結果推算角速度，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(恒穩態(tài))0.3°/hr,1 sigma;比例因子37mV/°/s±10%;外部磁場(chǎng)1°/hr/Gauss;輸出阻抗1000Ω。由此可以看出，VG951是一種穩定性好、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(shí)輸出信號很微弱，因此，必須選用低噪聲運放電路，并合理設置濾波電路。本系統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(wú)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，使用和差轉換技術(shù)實(shí)現高達24bit的無(wú)誤碼模數轉換。AD7714內置數字濾波功能，可編程設置濾波器的截止頻率和穩定時(shí)間。本系統可同時(shí)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(gè)限制條件，即信號相對于A(yíng)GND的電壓不能低于-30mv。因此，必須將陀螺儀信號平移一個(gè)基準電壓(+1.5V)，該電壓由AD780分壓提供。

系統以Philips公司的P89V51RD2[8]為控制與數據處理中心。P89V51RD2是一種高性能的80C51兼容型單片機，片內內置64K程序存儲器,768+256Byte數據存儲器，可利用 Philips提供的ISP/IAP程序實(shí)現系統的在線(xiàn)編程(在系統或在應用編程)。該CPU管理并控制著(zhù)數據采集過(guò)程，由T2 定時(shí)器給AD7714的數字積分提供精確定時(shí)，并完成陀螺儀測量數據的實(shí)時(shí)分析與處理工作。圖1為簡(jiǎn)化硬件原理圖。

同時(shí)，P89V51RD2還是與軌檢小車(chē)主CPU進(jìn)行數據通訊的控制器，成為軌檢小車(chē)多CPU主從結構的一個(gè)基礎端點(diǎn)。

圖1 簡(jiǎn)化硬件原理圖

4.零點(diǎn)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定性等因素的影響，AD7714輸出信號的零點(diǎn)(陀螺儀角速度為零時(shí)輸出信號)呈現出一定程度的波動(dòng)。如果采用一次平均法計算零點(diǎn)，則隨著(zhù)時(shí)間變化實(shí)際零點(diǎn)漂移會(huì )很大，既實(shí)際零點(diǎn)與一次平均法所求的零點(diǎn)之差會(huì )變得很大，這樣僅僅零點(diǎn)之差求和(既積分)就會(huì )產(chǎn)生不容忽視漂移。圖2系列3曲線(xiàn)為一次平均法(求取零點(diǎn))所產(chǎn)生的零點(diǎn)積分漂移曲線(xiàn).

零點(diǎn)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(diǎn)。首先在陀螺儀靜止不動(dòng)(角速度為零)時(shí)，采集八個(gè)數據(實(shí)際零點(diǎn))作為樣本，這些樣本叫做零點(diǎn)樣本，求它們的均值，并稱(chēng)該值為基準零點(diǎn)，第一個(gè)基準零點(diǎn)叫初始基準零點(diǎn)，然后每采集八個(gè)零點(diǎn)樣本求得一個(gè)新的基準零點(diǎn)。當陀螺儀運動(dòng)(角速度不為零)時(shí)，零點(diǎn)樣本由上次所求的基準零點(diǎn)代替，這樣不管陀螺儀狀態(tài)如何，每采集八個(gè)數據都可獲得八個(gè)零點(diǎn)樣本，既獲得一個(gè)基準零點(diǎn)，由于實(shí)際零點(diǎn)與基準零點(diǎn)隨時(shí)間幾乎同時(shí)變化，所以它們之差不會(huì )隨時(shí)間變化而變得很大，這樣零點(diǎn)之差求和(既積分)產(chǎn)生的漂移將大大減少，零點(diǎn)漂移積分效果見(jiàn)圖2系列3曲線(xiàn)。由上所述，求取零點(diǎn)樣本為關(guān)鍵所在，下面是判斷零點(diǎn)(陀螺儀角速度為零)依據。

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(jìn)制數據表示為74/(3*1000000)/*224=19D，AD采集的數據用3字節數據表示：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(diǎn)相減，其差值在100以下，可以認為這時(shí)陀螺儀角速度為零，信號可作為零點(diǎn)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(diǎn)零點(diǎn)樣本由上次所求的(初始)基準零點(diǎn)代替。

圖2 陀螺儀靜止不動(dòng)時(shí)零點(diǎn)積分漂移曲線(xiàn)

5.實(shí)驗效果

軌道方向(陀螺儀轉過(guò)的角度)是通過(guò)實(shí)際采集的信號與上次所求的(初始)基準零點(diǎn)之差求和實(shí)現。實(shí)驗輸出曲線(xiàn)見(jiàn)圖 3其中橫坐標為秒，縱坐標為角度量(未標定位為實(shí)際角度)，由圖3可知在1小時(shí)內角度漂移沒(méi)超過(guò)400000，化為實(shí)際角度為：400000/16/224*3/0.037=0.06º，漂移非常小。突變曲線(xiàn)是陀螺儀緩慢運動(dòng)時(shí)輸出的，反應非常靈敏。

圖3 陀螺儀輸出軌向圖

6.結束語(yǔ)

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

參考文獻：

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