[发明专利]顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法

摘要

本发明公开了顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法。顶管姿态测量系统实现顶管机姿态信号的获取，所述融合方法包括以下步骤1)对倾角仪输出的倾角数据进行一阶差分处理；2)收集光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据；3)设计卡尔曼滤波器；4)通过所述卡尔曼滤波器对光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据进行数据补偿和信息融合，获取顶管机姿态信号的姿态信号。本发明实质是利用稳态下倾角仪输出与光纤陀螺仪进行数据融合获取光纤陀螺仪实时的零漂，以便对突变环境下倾角仪失效后陀螺仪的零漂做出相对准确的估计。

主权项

一种顶管姿态测量系统中的倾角仪与光纤陀螺仪的融合方法，所述顶管姿态测量系统实现顶管机姿态信号的获取；其特征在于：所述融合方法包括以下步骤：1)对倾角仪输出的倾角数据进行一阶差分处理；2)收集光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据；3)设计卡尔曼滤波器；4)通过所述卡尔曼滤波器对光纤陀螺仪的动态数据和一阶差分处理后的倾角数据进行数据补偿和信息融合，获取顶管机姿态信号的姿态信号；其中，在步骤3)和步骤4)中，根据光纤陀螺仪的零漂，建立相应的随机误差模型：其中x为光纤陀螺仪的实际输出，ω为光纤陀螺仪的实际角速率，由真实速率驱动白噪声nω驱动，nω的方差为Qω；b为光纤陀螺仪的速率随机游走噪声，白噪声nb的方差为Qb；建立光纤陀螺的仪角度随机游走噪声na，方差为Qa；建立光纤陀螺仪的状态模型：Yk＝AYk‑1+AWk，其中状态矢量：nω的方差为Qω，驱动序列：建立光纤陀螺仪的观测矩阵：Xk＝CYk+Vk，其中观测矢量：ωk表示陀螺仪的输出值，θ表示在一个采样周期内倾角仪的角位移，nak为陀螺仪测量噪声，方差为Qn；nk＝δk‑δk‑1，其中δk为倾角仪输出的且经一阶差分处理后的倾角数据，方差为Qδ，驱动序列：其中，所述卡尔曼滤波器的驱动序列Wk、Vk满足以下条件：其中：δkj是单位为1的量纲函数，协方差矩阵：其中，Qk、Pk代表卡尔曼滤波器对相应传感器数据的信任程度，值越小，明信任程度越高，在顶管姿态测量系统中光纤陀螺仪的值更为接近准确值；所述卡尔曼滤波器的滤波过程：当前状态，Yk|k‑1＝AYk‑1|k‑1+AWk，其中，Yk|k‑1是k时刻的预测结果，Yk‑1|k‑1是k‑1时刻的最优结果；对应的Yk|k‑1的协方差为：Pk|k‑1＝APk‑1|k‑1AT+Qk，则k时刻状态最优值：YK|k＝Yk|k‑1+Kk(Xk‑HYk|k‑1)，其中H＝[1 0]，K为卡尔曼增益系数：为了使卡尔曼滤波器不断运行下去直至获得最优值，细化k状态下YK|k的协方差：Pk|k＝Pk|k‑1‑KkHPk|k‑1；计算完时间更新方程和测量更新方程后，再次重复上一次计算得到的后验估计，作为下一次计算的先验估计，这样，周而复始、循环反复地运算下去直至找到最优的结果作为顶管机姿态信号的姿态信号。