CN105675019B - 一种悬浮类陀螺旋转-偏转复合调制误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪旋转‑偏转复合调制误差补偿方法。利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与旋转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测。本发明属于测量与控制技术领域，可应用于悬浮类陀螺的优化设计以及高精度姿态测量。

Description

一种悬浮类陀螺旋转-偏转复合调制误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪旋转-偏转复合调制误差补偿方法，适用于陀螺的高精度角速率测量。

技术背景

陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在军用、民用领域都发挥着重要的作用。悬浮类陀螺通过悬浮的方式克服传统机械陀螺的摩擦而提高陀螺的敏感和控制精度。按悬浮方式的不同，悬浮类陀螺可分为静电陀螺、磁悬浮类陀螺、液浮陀螺以及气浮陀螺等。按照功能的不同，陀螺仪又可分为敏感陀螺和控制力矩陀螺两大类。

尽管悬浮支承有效减小了陀螺的干扰力矩，但由安装误差、温漂等因素引起的陀螺漂移仍然存在。如何有效抑制陀螺漂移一直是惯性技术研究的重点和热点。

针对悬浮类陀螺的陀螺漂移抑制问题，目前主要有系统级调制解调方法和部件级调制解调方法两大类。其中，系统级旋转调制方法需要增加额外的硬件资源，因此体积、重量和功耗较大，严重影响了其适用范围。部件级调制解调方法目前主要有定子旋转和转子偏转两种调制解调两种。尽管这两种方法都可以有效抑制径向x，y两自由度的陀螺漂移，但都是在单独利用的理想情形。也就是在转子偏转调制时，陀螺定子不能旋转；在定子旋转调制时，陀螺转子不能偏转。而在实际的应用中，转子偏转与否往往是由航天器控制的需要而确定的，故而存在定子旋转和转子偏转同时存在的情形。因此，现有的定子旋转调制和转子偏转调制都无法实现这种复合工况下的调制解调。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对转子偏转情况下旋转调制无法单独使用的问题，提出旋转-偏转复合调制误差补偿新方法，消除陀螺漂移误差，得到陀螺房相对于惯性空间的角速率，为实现陀螺姿态角速率的高精度测量提供了一种新的技术途径。

本发明的技术解决方案是：首先利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；其次利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；在此基础上，分别引入与旋转角度和偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调和偏转解调；最后通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测，具体包括以下步骤：

(1)旋转调制

定子旋转时，悬浮类陀螺敏感角速率在旋转坐标系x-y-z下量测方程为：

式中，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率。

(2)偏转调制

在转子偏转角度为η(t)，定子旋转角度为θ′(θ′＝θ-Ωt)时，轴承力f(x,h)可表示为：

式中，K为标度因子常值矩阵，为轴承力矩，x为检测到的轴承电信号，h为检测到的悬浮转子角位移，为真实悬浮力矩，常值漂移力矩。

(3)偏转解调

对(2)式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，进行偏转解调，可得：

(4)旋转解调

对(3)式进行旋转解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

(5)积分滤波

经积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率

本发明的发明原理是：利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；引入与旋转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调；通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测。

悬浮式陀螺偏转-旋转复合调制示意图如图2所示，悬浮类陀螺的转子在垂直平面内往复偏转，其偏转角度随时间成周期性正余弦变化；轴承定子绕转子角动量矢量轴以角速率Ω旋转。

定子旋转时，悬浮类陀螺在旋转坐标系下的敏感角速率在x-y-z下的分量方程为：

式中，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率。

在转子偏转角度为η(t)，定子旋转角度为θ′(θ′＝θ-Ωt)时，陀螺所敏感到的实际悬浮力矩包括真实轴承力矩与常值漂移力矩即：

其中表示为：

则轴承力f(x,h)可表示为：

其中，K为标度因子常值矩阵，为真实悬浮力矩，常值漂移力矩。

对(9)式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，进行偏转解调，可得：

对(10)式进行旋转解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

对(11)式进行经积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率

从(12)式可得，对于X和Y轴方向上的真实旋转角速率可以实现解调，对于Z轴上的无法实现。(12)式可进一步简化为：

本发明的方案与现有方案比，主要优点在于：与现有的系统级调制解调方法相比，在部件级层面上实现了角速率测量，减小了设备的体积和功耗，拓展了适用范围；与现有的部件级调制解调方法相比，该方法实现了在定子旋转和转子偏转存在下的陀螺漂移的有效抑制，既补偿了由转子偏转引起的耦合项，又补偿了陀螺漂移，解决了角动量变化时的陀螺漂移问题。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为复合调制示意图；

图3为调制解调误差补偿过程示意图；

图4为经旋转调制解调后的姿态角(无漂移)；

图5为未经旋转调制解调后的姿态角(有漂移)；

图6为偏转调制原理仿真图；

图7为偏转解调原理仿真图。

具体实施方案

本发明的具体实施方案如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)旋转调制

旋转调制时，悬浮类陀螺轴承定子绕转子角动量矢量轴以角速率Ω旋转，如图2中实线所示。定子旋转过程中，悬浮类陀螺敏感角速率在旋转坐标系x-y-z下量测方程为：

(2)偏转调制

偏转调制时，悬浮类陀螺的转子以恒定角动量在垂直平面内往复偏转，其偏转角度η(t)随时间成周期性正余弦变化，如图2中虚线所示。

在转子偏转角度为η(t)，定子旋转角度为θ′(θ′＝θ-Ωt)时，陀螺所敏感到的实际悬浮力矩包括真实轴承力矩与常值漂移力矩即：

其中表示为：

则轴承力f(x，h)可表示为：

其中，K为标度因子常值矩阵，为真实悬浮力矩，ε为陀螺漂移误差，常值漂移力矩。

(3)偏转解调

对上式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，进行偏转解调，可得：

(4)旋转解调

对(18)式进行旋转解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

(5)积分滤波

经积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率

定子旋转条件下调制解调误差补偿过程示意图如图3所示，图3中横坐标表示时间，单位为s。由图可知，定子旋转调制解调能实时消除陀螺漂移，复现真值，与补偿前实测值相比，测量精度可大幅提高。

不经过定子旋转调制解调条件下，实测值随时间变化的积分信号如图4所示，图4中横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示解调后的姿态角，单位为°。可以看出，陀螺漂移不能实时消减，而会随着时间而增加，导致姿态角的发散。定子旋转调制解调条件下，误差补偿解算后的姿态角如图6所示。图5中，横坐标表示时间，纵坐标表示补偿解算后的姿态角，从图中可以看出，经旋转调制解调后的姿态角无漂移。对比图4和图5可以看出，通过定子旋转调制解调，可以有效地消除陀螺漂移导致的姿态角漂移，实时提高姿态角速率和姿态角的检测精度。

对转子偏转调制误差补偿进行原理仿真分析，如图6、图7所示，图中横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示角速率，单位为°/s。图6为偏转调制原理仿真图，其中蓝实线为经过偏转调制后含噪声的检测输出，红色虚线为敏感陀螺的陀螺漂移(短周期内可等效为常值)，黑色点划线为被测角速率真值。图7为对调制后的检测信号进行解调的仿真结果，蓝实线为解调后的信号，红虚线为真实角速率，黑色点虚线为对积分滤波后的解算值。从图中可以看出，它与真实角速率(红虚线)相重合。由此可以看出，偏转调制误差补偿方法，通过对转子进行偏转调制，并引入与偏转角度相关的解调因子，既补偿了由转子偏转引起的耦合项，又补偿了陀螺漂移，解决了转子角动量变化时的陀螺漂移问题，同时大幅提高了姿态角速率的检测精度。

从以上调制解调过程可以看出，尽管定子旋转-转子偏转复合调制误差补偿的过程比较复杂，但由于定子旋转调制解调和转子偏转调制解调互不影响，因此可以达到与定子旋转调制或转子偏转调制同样的误差补偿效果，且克服了定子旋转只能消减径向两个自由度的陀螺漂移、对轴向自由度无能为力的问题，保证陀螺房相对惯性空间角速率(被测真值)的高精度检测。这说明本发明提出的方法很好地实现了对悬浮类陀螺转子角速率高精度检测，且实现较简单，工程性强。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种悬浮类陀螺仪旋转-偏转复合调制误差补偿方法，其特征在于：利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与旋转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测，具体包括以下步骤：

(1)旋转调制

定子旋转时，陀螺房相对惯性空间角速率在旋转坐标系x-y-z下量测方程为：

式中，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率；

(2)偏转调制

在转子偏转角度为η(t)，定子旋转角度为θ′，θ′＝θ-Ωt时，轴承力f(x,h)可表示为：

其中，t表示时间，x为检测到的轴承电信号，h为检测到的悬浮转子角位移，K为标度因子常值矩阵，为轴承力矩，为真实悬浮力矩，ε为陀螺漂移误差，常值漂移力矩，H为转子角动量矢量的模， 是分别在陀螺房坐标系X-Y-Z中X、Y和Z轴上投影的分量；

(3)偏转解调

对(2)式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，进行偏转解调，可得：

(4)旋转解调

对(3)式进行旋转解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

(5)积分滤波

经在周期T内的积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率