基于卡爾曼濾波的軌道閥閥位測量方法研究

王 悅，葛文強

（北京無線電計量測試研究所，北京 100854）

現有技術中，軌道閥作為單閥座雙向密封的球閥綜合了閘閥、球閥、截止閥和旋塞閥的優點，在輸氣管道上廣泛應用[1]。軌道閥通常配置有反饋閥門閥位的反饋器。反饋器配合現場PLC（可編程邏輯電路）系統可實現閥門開關狀態的遠程反饋，為監控系統提供相應的閥門位置信號輸出[2]。但受現有軌道閥結構限制，集成的反饋器主要用于現場操作人員觀察，直接與PLC 系統結合采樣精度有限，而且現場PLC 系統與傳感器間的線纜敷設受到控制手輪操作干擾，會對管道上附屬設施的裝卸造成不良影響[3]。

因此采用非接觸式傳感器進行旋轉量的采集，目前通用性傳感器有陀螺儀、霍爾傳感器等。霍爾傳感器能夠對間隔擺放的鐵磁物塊進行計數，還能辨別增減方向[4-7]。在軌道閥手輪上安裝齒條狀圓盤，即可采集閥門的旋轉量。然而，在閥門轉動過程中，鐵磁物塊擺放間隔較大會造成霍爾傳感器計數不連續性，而且難以避免閥門垂直于旋轉面的震動干擾，造成霍爾傳感器計數誤差。而陀螺儀的溫漂、時漂、隨機干擾等誤差[8-9]，使其難以單獨應用于旋轉測量系統中。使用多傳感器融合濾波方法是解決單一傳感器測量精度較差的重要手段[10-13]。

本文針對單一使用陀螺儀或霍爾傳感器測量旋轉角度的局限性，提供了一種基于卡爾曼濾波算法的軌道閥閥位解算方法。依靠三軸陀螺儀與霍爾傳感器組合濾波方法，實現了軌道閥更為精確的閥位測量方式。通過單軸轉臺獲取傳感器原始數據與標準旋轉角度，在Matlab 平臺上進行仿真，對比單一傳感器與組合測量得出的閥位數據。實驗結果表明，該濾波方法有效抑制了陀螺儀的漂移特性，增強了霍爾傳感器測量的連續性，提高了閥位測量精度。

1 傳感器誤差建模

對于不同的傳感器，具有不同的干擾及誤差特性，因此首先確定傳感器的誤差模型與相關物理量的解算模型。

陀螺輸出信號yg，t包含了真實角速率ωt，零偏εg，t以及高斯白噪聲νg，t：

經過四元數解算過程，陀螺零偏εg，t是引起三維失準角的主要誤差源，陀螺零偏屬于低頻、慢變過程，有=0，νg，t為零均值高斯白噪聲。

建立陀螺儀測量轉角的線性模型如下：

式中：θ（k）為閥門轉角；ω（k）為陀螺儀角速度；b（k）為陀螺儀常值偏差；w（k）為陀螺儀高斯白噪聲；dt為測量周期。

霍爾傳感器量測模型：

式中：z（k）為霍爾傳感器測量得出的閥門轉角；θ（k）為真實閥門轉角；v（k）為霍爾傳感器測量噪聲。

2 組合濾波模型建立

選擇閥位測量系統狀態： 把閥門轉角θ 作為一個狀態向量，以霍爾傳感器估計得到的陀螺儀常值偏差b 做為另一狀態向量，X（k）=

構建卡爾曼狀態方程：

構建閥位測量卡爾曼濾波器：

系統狀態矩陣：

系統量測向量：

利用卡爾曼濾波算法對閥門閥位測量數據進行數據融合，數據融合步驟如下：

（1）采樣陀螺儀、霍爾傳感器轉速和轉角測量數據。

（2）采樣數據時間更新過程：

（3）量測更新過程：

3 實驗驗證

為驗證本文閥位組合測量方法的精度，通過單軸轉臺獲取傳感器原始數據與標準旋轉角度，在Matlab 平臺上進行仿真，對比單一傳感器與組合測量得出的閥位數據。

實驗設備：硬件系統、高精度轉臺（如圖1所示）、PC 機。

圖1 高精度轉臺Fig.1 High precision turntable

實驗步驟：以高精度無磁轉臺的刻度為基準（誤差0.01°）。首先將轉臺旋轉至0 刻度處，分別記錄下陀螺儀、霍爾傳感器輸出的數據。此后，均速旋轉轉臺，記錄下傳感器不斷輸出的傳感數據，直至轉臺再次旋轉至0 刻度處。

實驗結果：通過Matlab 平臺分別計算單一陀螺儀、霍爾傳感器、陀螺/霍爾組合濾波的閥位值，并進行對比分析，繪圖如圖2所示。

圖2 陀螺儀、霍爾傳感器、陀螺/霍爾組合濾波的閥位值對比曲線Fig.2 Comparison curve of valve position value of gyroscope，Hall sensor，and gyroscope/Hall combined filtering

圖3所示為單一陀螺儀、霍爾傳感器、陀螺/霍爾組合濾波的閥位值誤差對比。

圖3 陀螺儀、霍爾傳感器、陀螺/霍爾組合濾波的閥位值誤差對比曲線Fig.3 Comparison curve of valve position error of gyroscope，Hall sensor，and combined gyroscope/Hall filter

從表1可以看出，陀螺/霍爾組合濾波最大誤差為0.57°，平均絕對誤差0.29°，比單一陀螺儀、霍爾傳感器測量精度顯著提高。

表1 陀螺儀、霍爾傳感器、陀螺/霍爾組合濾波的閥位值誤差統計Tab.1 Valve position error statistics for gyroscope，Hall sensor，and combined gyroscope/Hall filter

4 結語

本文使用多傳感器融合濾波方法，融合霍爾傳感器與陀螺儀數據，抑制噪聲干擾，解決了單一傳感器測量精度較差的問題。通過建立傳感器誤差模型補償隨機漂移誤差，通過使用自適應量測噪聲矩陣減小垂直于旋轉面的震動干擾對旋轉角度解算的影響。本文的技術方案實現了低成本、高精度的閥位測量系統，發展了高效精確的閥位測量方法。

實驗結果表明，本文濾波方法有效抑制了陀螺儀的漂移特性，增強了霍爾傳感器測量的連續性，提高了閥位測量精度。本文方法適用于各類手動、電動閥門閥位的解算，同時也適用于旋轉多圈的閥門。