集成式数字角速度陀螺仪、预测滤波方法和电子设备
阅读说明：本技术 集成式数字角速度陀螺仪、预测滤波方法和电子设备 (Integrated digital angular rate gyroscope, prediction filtering method and electronic device ) 是由 邓永停 李洪文 王建立 邵蒙 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于数据处理技术领域,具体涉及一种集成式数字角速度陀螺仪、预测滤波方法和电子设备。本发明一种集成式数字角速度陀螺仪,包括顺次信号连接的角速度陀螺仪、DSP微型控制器和串口接口,所述DSP微型控制器包括预测滤波模块,所述预测滤波模块根据角速度陀螺仪传输的角速度信号进行处理,从串口接口输出预测滤波信号。本发明集成式数字角速度陀螺仪能够准确的对角速度数据进行滤波处理,同时能够对角加速度进行准确预测,能够大幅度提高系统控制精度。(The invention belongs to the technical field of data processing, and particularly relates to an integrated digital angular rate gyroscope, a prediction filtering method and electronic equipment. The invention discloses an integrated digital angular rate gyroscope, which comprises an angular rate gyroscope, a DSP micro controller and a serial port interface which are sequentially in signal connection, wherein the DSP micro controller comprises a prediction filtering module, the prediction filtering module processes an angular rate signal transmitted by the angular rate gyroscope and outputs the prediction filtering signal from the serial port interface. The integrated digital angular rate gyroscope can accurately filter angular rate data, can accurately predict angular acceleration, and can greatly improve the control precision of a system.)
技术领域
本发明属于数据处理技术领域，具体涉及一种集成式数字角速度陀螺仪、预测滤波方法和电子设备。
背景技术
目前数字角速度陀螺仪以其高带宽、稳定的零偏等优点，在稳定平台控制系统、导航、机器人和医疗器械等领域得到了广泛的应用。但是，传统的数字角速度陀螺仪受电源噪声和器件本身性能的影响，输出的角速度信号中存在较大的噪声，影响了系统的稳定控制精度。此外，传统的角速度陀螺仪也无法直接提供角加速度前馈信息，因此控制系统也就无法采用前馈复合控制的方式，来进一步提高控制系统的跟踪性能。因此，需要研究和设计新型的集成式数字角速度陀螺仪。
发明内容
针对以上问题，本发明旨在提供一种能够精确检测角速度和角加速度信息，提高系统控制精度的集成式数字角速度陀螺仪、预测滤波方法和电子设备。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
一种集成式数字角速度陀螺仪，包括顺次信号连接的角速度陀螺仪、 DSP微型控制器和串口接口，所述DSP微型控制器包括预测滤波模块，所述预测滤波模块根据角速度陀螺仪传输的角速度信号进行处理，从串口接口输出预测滤波信号。
可选的，所述预测滤波模块包括第一滤波单元、第二滤波单元和预测补偿单元；所述第一滤波单元分别与所述第二滤波单元和所述预测补偿单元信号连接，所述第二滤波单元与所述预测补偿单元信号连接。
可选的，所述第一滤波单元接收角速度陀螺仪的角速度信号进行滤波和微分处理，输出滤波值和微分值；所述第二滤波单元将微分值进一步滤波得到加速度信号；所述预测补偿单元根据滤波值和加速度信号进行预测补偿输出预测滤波信号。
可选的，所述角速度陀螺仪包括SPI接口，所述SPI接口传输的信号包括片选信号(CS)、时钟信号(SCLK)、指令输入信号(DIN)、数据输出信号(DOUT)和中断产生信号(DIO)。
可选的，所述DSP微型控制器包括SCI模块、IRQ模块和SPI模块和SCIA模块；其中，所述DSP微型控制器的SPI模块通过片选(SS)、时钟(SCLK)、主机输出从机输入(MOSI)、主机输入从机输出(MISO) 和中断响应(IRQ)信号实现对角速度陀螺仪指令的发送和速度数据的读取。
可选的，所述串口接口包括RI接口，所述RI接口接收来自所述DSP 微型控制器SCIA模块的预测滤波信号，并将预测滤波信号由逻辑电平信号转换为差分信号进行传输。
本发明技术方案还包括：一种数字角速度预测滤波方法，包括以下步骤：
获取角速度陀螺仪的角速度信号；
进行滤波和微分处理，输出滤波值和微分值；
将微分值进一步滤波得到加速度信号；
根据滤波值和加速度信号进行预测补偿输出预测滤波信号。
可选的，所述滤波和微分处理通过基于反正切函数的公式(1)实现；
其中，a1、a2、f1、f2和R均为正数，u(t)为预测滤波器的输入，即角速度信号；x1(t)为输入信号u(t)的滤波器信号，即滤波值；x2(t)为输入信号u(t)的微分信号，即微分值。
可选的，所述预测补偿通过公式(2)实现；
其中，p为预测步数，h为算法的计算周期，为集成式数字角速度陀螺仪的输出速度，即预测滤波信号；ω1为角速度的滤波值，为角速度微分值的滤波值，即陀螺仪输出的角加速度信号。
本发明技术方案还包括：一种电子设备，采用了上述任一项所述的集成式数字角速度陀螺仪。
对于稳定平台控制系统，系统的跟踪和控制精度很大程度上取决于惯性器件的角速度检测精度。而现有的角速度陀螺仪输出的速度信号中存在较大的噪声，并且无法直接提供角加速度信息。本发明集成式数字角速度陀螺仪能够准确的对角速度数据进行滤波处理，同时能够对角加速度进行准确预测，能够大幅度提高系统控制精度。
附图说明
图1是本发明集成式数字角速度陀螺仪硬件结构原理示意图；
图2是本发明集成式数字角速度陀螺仪预测滤波模块逻辑示意图；
图3是本发明数字角速度预测滤波方法流程示意图；
图4是本发明预测滤波模块在a1＝1,f1＝1,a2＝1,f2＝1条件下的相轨迹图；
图5是本发明预测滤波模块在a1＝1,f1＝1,a2＝2,f2＝1条件下的相轨迹图；
图6是本发明集成式数字角速度陀螺仪在静态时输出的角速度和角加速度数据曲线图；
图7是本发明集成式数字角速度陀螺仪在动态时输出的角速度和角加速度数据曲线图。
具体实施方式
首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
其次，需要说明的是，在本发明的描述中，术语“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例性的”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
稳定平台控制系统的跟踪和控制精度很大程度上取决于惯性器件的角速度检测精度；由于现有的角速度陀螺仪输出的速度信号中存在较大的噪声，并且无法直接提供角加速度信息。为了解决现有角速度陀螺仪存在的问题，本专利发明一种新型的集成式数字角速度陀螺仪。具体通过以下技术方案实现：
实施例1
一种集成式数字角速度陀螺仪，包括顺次信号连接的角速度陀螺仪、 DSP微型控制器和串口接口，所述DSP微型控制器包括预测滤波模块，所述预测滤波模块根据角速度陀螺仪传输的角速度信号进行处理，从串口接口输出预测滤波信号。
其中，所述DSP微型控制器包括SCI模块、IRQ模块和SPI模块和 SCIA模块；其中，所述DSP微型控制器的SPI模块通过片选(SS)、时钟(SCLK)、主机输出从机输入(MOSI)、主机输入从机输出(MISO)和中断响应(IRQ)信号实现对角速度陀螺仪指令的发送和速度数据的读取。其中，SS、SCLK、MOSI和MISO信号的时序由DSP微型控制器根据角速度陀螺仪的时序要求产生，SPI模块在每个采样周期向角速度陀螺仪发送指令数据，角速度陀螺仪响应DSP的指令，并准备角速度测量数据，在角速度数据准备就绪后，角速度陀螺仪会向DSP微型控制器的IQR模块产生一次外部中断请求，此时DSP微型控制器响应中断，并通过SPI 模块读取角速度陀螺仪的测量数据。本发明优选TI公司的TMS320F28069 芯片。
其中，所述角速度陀螺仪包括SPI接口，所述SPI接口传输的信号包括片选信号(CS)、时钟信号(SCLK)、指令输入信号(DIN)、数据输出信号(DOUT)和中断产生信号(DIO)。如图1所示，角速度陀螺仪的 CS信号与DSP微型控制器的SS信号相连接，用于接收DSP片选使能；角速度陀螺仪的SCLK信号与DSP微型控制器的SCLK信号相连接，用于接收来自DSP的时钟请求；角速度陀螺仪的DIN信号与DSP微型控制器的MOSI信号相连接，用于接收来自DSP的数据指令；角速度陀螺仪的 DOUT信号与DSP微型控制器的MISO信号相连接，用于向DSP发送角速度测量数据；角速度陀螺仪的DIO信号与DSP微型控制器的IRQ信号相连接，用于向DSP产生中断请求。本发明优选ADI公司的ADIS16137数字角速度陀螺仪，该陀螺仪实现了业界领先的iMEMS技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。
其中，所述串口接口包括RI接口，所述RI接口接收来自所述DSP 微型控制器SCIA模块的预测滤波信号，并将预测滤波信号由逻辑电平信号转换为差分信号进行传输。本发明优选MAXIM公司的电平转换芯片 MAX3077E。
一种集成式数字角速度陀螺仪的具体工作过程为：在每个数据采样周期的开始，DSP微型控制器通过SPI通信模块向角速度陀螺仪发送指令，角速度陀螺仪收到DSP的指令后，准备角速度测量数据，待数据准备就绪后，角速度陀螺仪向DSP产生中断信号；DSP微型控制器收到来自角速度陀螺仪的中断请求信号后，通过SPI接口协议读取角速度陀螺仪的寄存器中的数据；然后，DSP微型控制器采用新型预测滤波算法对陀螺仪的角速度数据进行速度滤波和加速度预测；最后，DSP将经过滤波和预测处理获得的角速度和角加速度数据，通过串口接口电路发送给稳定平台控制系统，从而为其提供精确的角速度反馈信息和角加速度前馈信息。每个角速度数据采样周期内均重复上述过程。
实施例2
本发明一种集成式数字角速度陀螺仪的优点还体现在角速度陀螺仪的数据处理方面。在DSP微型控制器完成角速度数据读取后，DSP还进行角速度数据的滤波和角加速度的预测，经过处理后DSP向串口接口电路输出具有较小噪声的角速度和较平滑的加速度数据，从而为稳定平台控制系统提供更加精确的角速度反馈信息和角加速度前馈信息。
具体的，如图2所示，在DSP微型控制器中，所述预测滤波模块包括第一滤波单元、第二滤波单元和预测补偿单元；所述第一滤波单元分别与所述第二滤波单元和所述预测补偿单元信号连接，所述第二滤波单元与所述预测补偿单元信号连接。
所述第一滤波单元接收角速度陀螺仪的角速度信号进行滤波和微分处理，输出滤波值和微分值；所述第二滤波单元将微分值进一步滤波得到加速度信号；所述预测补偿单元根据滤波值和加速度信号进行预测补偿输出预测滤波信号。
实施例3
本发明技术方案还包括：一种数字角速度预测滤波方法，包括以下步骤：
获取角速度陀螺仪的角速度信号；
进行滤波和微分处理，输出滤波值和微分值；
将微分值进一步滤波得到加速度信号；
根据滤波值和加速度信号进行预测补偿输出预测滤波信号。
作为一种优选实施方式，为了滤除数字角速度陀螺仪输出信号中的噪声，并预测获得平滑的角加速度信号，发明基于反正切函数的预测滤波算法，该算法在DSP微型控制器内进行数字离散化实现。所述滤波和微分处理通过基于反正切函数的公式(1)实现；
其中，a1、a2、f1、f2和R均为正数，u(t)为预测滤波器的输入，即角速度信号；x1(t)为输入信号u(t)的滤波器信号，即滤波值；x2(t)为输入信号u(t)的微分信号，即微分值。
本发明之所以采用反正切函数，主要是因为以下两点优点：(1)反正切函数具有类饱和特性，在考虑平稳性和快速性的同时，具有较好的滤波和微分特性；(2)反正切函数具有良好的平滑特性，连续渐进变化，并且基于反正切函数的预测滤波算法参数较少，便于进行参数调节。
作为一种优选实施方式，基于预测滤波模块的角速度陀螺仪数据处理结构图如图2所示，其中，第一滤波器的作用是对输入的陀螺仪角速度信号进行滤波和微分处理，输出角速度的滤波值ω1和微分值第二滤波器的作用是对第一滤波器的微分输出值进行二次滤波，进一步滤掉预测滤波器输出微分信号中的噪声，使得输出的加速度信号更加平滑。最后，通过预测补偿单元对角度陀螺仪的输出速度信号进行预测补偿，采用线性p外推的方法，获得集成式数字角速度陀螺仪的输出表达式。所述预测补偿通过公式(2)实现；
其中，p为预测步数，h为算法的计算周期，为集成式数字角速度陀螺仪的输出速度，即预测滤波信号；ω1为角速度的滤波值，为角速度微分值的滤波值，即陀螺仪输出的角加速度信号。
实施例4
本发明技术方案还包括：一种电子设备，采用了上述任一项所述的集成式数字角速度陀螺仪。所述集成式数字角速度陀螺仪，包括顺次信号连接的角速度陀螺仪、DSP微型控制器和串口接口，所述DSP微型控制器包括预测滤波模块，所述预测滤波模块根据角速度陀螺仪传输的角速度信号进行处理，从串口接口输出预测滤波信号。
本发明预测滤波器算法的收敛性是保证集成式数字角速度陀螺仪输出稳定的速度和加速度信号的前提。为了进一步阐述本发明预测滤波器算法的收敛性，从以下两个方面进行证明：
(1)首先，在a1、a2、f1和f2均为正数条件下，对任意有界可积函数υ(t)和任意常数T>0，本专利所提出的基于反正切函数的新型预测滤波器表达式(1)的解x1(t)满足表达式：因此基于反正切函数的预测滤波器的是全局渐进稳定的。
(2)其次，相轨迹是微分方程分析的一种直观有效的方法，在不同参数下，基于反正切函数的新型预测滤波器的相轨迹如图4、5所示，相轨迹均沿着相同的方向趋近于原点，预测滤波器最终达到渐进稳定。上述两种分析方法从理论的角度证明了基于反正切函数的新型预测滤波器的收敛性，因此，基于反正切函数的新型预测滤波器的算法应用在数字角速度陀螺仪的数据处理方面是可行的。
为了进一步阐述本发明集成式数字角速度陀螺仪的优势，本发明在静态和动态情况下输出的角速度和角加速度数据进行了试验，分别如图 6和7所示；由图可以看出，本发明集成式数字角速度陀螺仪能够准确的对稳定平台的角速度数据进行滤波处理，同时能够对稳定平台的角加速度进行准确预测。通过实验数据验证了一种集成式数字角速度陀螺仪在角速度和角加速度测量方面的良好性能。
综上所述，本发明集成式数字角速度陀螺仪能够准确的对角速度数据进行滤波处理，同时能够对角加速度进行准确预测，能够大幅度提高系统控制精度。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。