兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 556-565.doi: 10.12382/bgxb.2022.0110
收稿日期:
2022-01-20
上线日期:
2022-07-30
通讯作者:
WAN Xinwei, WANG Jing*(), YANG Hui, LI Yi, ZHANG Yuanzai, WANG Lu
Received:
2022-01-20
Online:
2022-07-30
摘要:
针对微机电系统(MEMS)陀螺仪随机误差相对较大、影响其精度这一问题,提出一种基于BP神经网络结合具有量子行为的粒子群优化(QPSO)算法优化卡尔曼滤波(KF)的补偿方法。采集MEMS陀螺和转台数据作为样本,采用BP神经网络进行训练,建立误差模型;利用训练好的模型对MEMS陀螺进行误差补偿;利用QPSO算法优化KF,以达到更好的降噪效果。实验结果表明,该方法较BP神经网络优化KF、QPSO优化KF与变分模态分解结合小波阈值去噪等方法去噪处理后的平均绝对误差(MAE)和均方误差(MSE)更小,具有更好的降噪效果。
中图分类号:
万芯炜, 王晶, 杨辉, 李毅, 张远再, 王路. BP神经网络结合粒子群优化卡尔曼滤波的MEMS陀螺随机误差补偿方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 556-565.
WAN Xinwei, WANG Jing, YANG Hui, LI Yi, ZHANG Yuanzai, WANG Lu. A Random Error Compensation Method of MEMS Gyroscope Based on BP Neural Network Combined with PSO-Optimized Kalman Filter[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(2): 556-565.
隐含层节点数 | 网络学习MSE |
---|---|
2 | 0.02438 |
4 | 0.01924 |
6 | 0.01015 |
8 | 0.00198 |
10 | 0.00178 |
20 | 0.00175 |
40 | 0.00175 |
60 | 0.00174 |
表1 隐含层节点数与网络学习均方误差
Table 1 Number of hidden layer nodes and mean square error of network learning
隐含层节点数 | 网络学习MSE |
---|---|
2 | 0.02438 |
4 | 0.01924 |
6 | 0.01015 |
8 | 0.00198 |
10 | 0.00178 |
20 | 0.00175 |
40 | 0.00175 |
60 | 0.00174 |
转速/((°)·s-1) | Q | R | MSE |
---|---|---|---|
1.5 | 0.0015 | 6.3651 | 4.9634×10-7 |
-1.5 | 0.0024 | 5.7802 | 4.859×10-7 |
3 | 0.001 | 6.7147 | 2.8848×10-8 |
-3 | 0.00201 | 5.3647 | 1.1947×10-7 |
6 | 0.0018 | 5.3162 | 2.8958×10-6 |
-6 | 0.0012 | 6.1819 | 3.6192×10-6 |
表2 QPSO优化卡尔曼滤波参数
Table 2 Optimized Kalman filtering parametersby QPSO
转速/((°)·s-1) | Q | R | MSE |
---|---|---|---|
1.5 | 0.0015 | 6.3651 | 4.9634×10-7 |
-1.5 | 0.0024 | 5.7802 | 4.859×10-7 |
3 | 0.001 | 6.7147 | 2.8848×10-8 |
-3 | 0.00201 | 5.3647 | 1.1947×10-7 |
6 | 0.0018 | 5.3162 | 2.8958×10-6 |
-6 | 0.0012 | 6.1819 | 3.6192×10-6 |
角速度/((°)·s-1) | 评价指标 | 原始数据 | 本文方法 | BP-KF | QPSO-KF | VMD-WTD |
---|---|---|---|---|---|---|
1.5 | MAE | 0.1336 | 6.98×10-4 | 4.64×10-2 | 3.98×10-2 | 4.34×10-2 |
MSE | 2.80×10-2 | 4.96×10-7 | 3.20×10-3 | 1.90×10-3 | 2.70×10-3 | |
-1.5 | MAE | 0.1263 | 6.87×10-4 | 4.01×10-2 | 3.35×10-2 | 3.69×10-2 |
MSE | 2.48×10-2 | 4.86×10-7 | 2.50×10-3 | 1.60×10-3 | 2.00×10-3 | |
3 | MAE | 0.1327 | 1.20×10-4 | 4.59×10-2 | 4.00×10-2 | 4.32×10-2 |
MSE | 2.75×10-2 | 2.89×10-8 | 3.10×10-3 | 1.90×10-3 | 2.60×10-3 | |
-3 | MAE | 0.1292 | 3.30×10-4 | 3.52×10-2 | 2.57×10-2 | 3.12×10-2 |
MSE | 2.59×10-2 | 1.19×10-7 | 1.90×10-3 | 9.55×10-4 | 1.50×10-3 | |
6 | MAE | 0.1265 | 1.70×10-3 | 3.90×10-2 | 3.10×10-2 | 3.57×10-2 |
MSE | 2.51×10-2 | 2.90×10-6 | 2.30×10-3 | 1.30×10-3 | 1.90×10-3 | |
-6 | MAE | 0.1283 | 1.90×10-3 | 3.91×10-2 | 2.98×10-2 | 3.57×10-2 |
MSE | 2.59×10-2 | 3.62×10-6 | 2.30×10-3 | 1.30×10-3 | 1.90×10-3 |
表3 不同方法MAE与MSE结果对比
Table 3 Comparison of MAE and MSE results by different methods
角速度/((°)·s-1) | 评价指标 | 原始数据 | 本文方法 | BP-KF | QPSO-KF | VMD-WTD |
---|---|---|---|---|---|---|
1.5 | MAE | 0.1336 | 6.98×10-4 | 4.64×10-2 | 3.98×10-2 | 4.34×10-2 |
MSE | 2.80×10-2 | 4.96×10-7 | 3.20×10-3 | 1.90×10-3 | 2.70×10-3 | |
-1.5 | MAE | 0.1263 | 6.87×10-4 | 4.01×10-2 | 3.35×10-2 | 3.69×10-2 |
MSE | 2.48×10-2 | 4.86×10-7 | 2.50×10-3 | 1.60×10-3 | 2.00×10-3 | |
3 | MAE | 0.1327 | 1.20×10-4 | 4.59×10-2 | 4.00×10-2 | 4.32×10-2 |
MSE | 2.75×10-2 | 2.89×10-8 | 3.10×10-3 | 1.90×10-3 | 2.60×10-3 | |
-3 | MAE | 0.1292 | 3.30×10-4 | 3.52×10-2 | 2.57×10-2 | 3.12×10-2 |
MSE | 2.59×10-2 | 1.19×10-7 | 1.90×10-3 | 9.55×10-4 | 1.50×10-3 | |
6 | MAE | 0.1265 | 1.70×10-3 | 3.90×10-2 | 3.10×10-2 | 3.57×10-2 |
MSE | 2.51×10-2 | 2.90×10-6 | 2.30×10-3 | 1.30×10-3 | 1.90×10-3 | |
-6 | MAE | 0.1283 | 1.90×10-3 | 3.91×10-2 | 2.98×10-2 | 3.57×10-2 |
MSE | 2.59×10-2 | 3.62×10-6 | 2.30×10-3 | 1.30×10-3 | 1.90×10-3 |
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