CN105716626B - 一种悬浮类陀螺仪的定子旋转调制误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪的定子旋转调制误差补偿方法。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；随后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减陀螺漂移误差，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仪的优化设计以及高精度姿态测量。

Description

一种悬浮类陀螺仪的定子旋转调制误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪的定子旋转调制误差补偿方法，适用于悬浮式陀螺仪的优化设计和高精度角速率测量。

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。悬浮类陀螺仪，是通过悬浮的陀螺转子转动产生动量矩来敏感陀螺壳体相对惯性空间角运动的仪器。按悬浮方式主要分为静电陀螺仪、磁悬浮陀螺仪、液浮陀螺仪以及气浮陀螺仪。

传统的悬浮转子式角速率陀螺仪具有定轴性，利用这一特性，可以为被测对象提供方位基准。这个基准的精度高低，主要取决于陀螺漂移误差的大小。陀螺漂移越小，它所提供的方位基准精度越高，因此陀螺漂移是衡量陀螺仪精度的主要指标。

现代滤波理论尤其是卡尔曼滤波充分利用了信号和噪声的先验统计知识，根据给定的最优准则，对测量数据进行滤波处理，可以用于抑制陀螺漂移，但是这种方法需要先验的统计知识，在实际应用中很难得到。秦东黎在《一种球形气浮气动陀螺仪的设计方法及误差分析研究》中提出一种适用于小型气浮转子的气体反作用力驱动方式，避免了电磁干扰，有利于提高陀螺仪的敏感精度，但是不能从原理上消减陀螺漂移。

旋转调制技术可以平均掉与陀螺壳体有关的漂移误差，使测量精度得到增强。杨国梁等人在《旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定》中提出基于单元体自旋转和三轴转台的误差标定方案，实现了对漂移误差的精确标定，但是该方法是系统级的调制方案。事实上，现有的旋转调制都是基于系统级的，体积大、功耗高，不便于系统小型化和广泛使用。

因此，如何克服系统级旋转调制技术的弱点，成为学术界亟待解决的热点问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对系统级旋转调制所需设备体积大、重量大和功耗大的问题，提出一种部件级的悬浮类陀螺仪旋转调制新方案，通过轴承定子的旋转实现陀螺漂移的抑制，有效减小了旋转调制的体积、重量和功耗，扩展了旋转调制的应用范围。

本发明的技术解决方案是：利用悬浮类陀螺仪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；随后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，具体包括以下步骤：

1、旋转调制

定子旋转条件下，旋转调制量测方程为：

其中，e为检测到的力矩器电信号，h为检测到的轴承位移号，K为比例系数常值矩阵，L为从陀螺漂移到陀螺漂移力矩的转换矩阵，为旋转定子坐标系相对惯性空间角速率，ω_IgX、ω_IgY分别是陀螺房相对惯性空间的姿态角速率在陀螺房坐标X-Y-Z系的X轴和Y轴上的分量，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率，ε为陀螺漂移误差，ε_x，ε_y是ε在x、y两个自由度上的分量。

2、旋转解调

对旋(1)式进行解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

3、积分滤波

在旋转调制的基础上，对(2)式在旋转周期T内进行积分滤波，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：通过周期性旋转轴承定子，使敏感轴周期性变化，将被测信号调制到旋转周期载波上，由于陀螺漂移误差不随载波周期变化，因此就可以通过解调和滤波来消除陀螺漂移误差。

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；随后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。

为便于描述，下面以对常值漂移的抑制为例进行说明。如图1所示，X-Y-Z系为陀螺房(框架)g坐标系，x-y-z系为磁轴承定子旋转g′坐标系，转子不偏转时，z轴与Z轴重合，x和y分别为悬浮陀螺为敏感轴。旋转调制时，磁轴承定子绕转子角动量矢量轴以角速率Ω旋转，即x-y平面绕z轴(即轴)以Ω的角速率旋转，从而实现对陀螺房相对惯性空间角速率(被测真值)的调制。

设ε_x-y为旋转坐标系x-y-z下的陀螺漂移，其在x轴的分量为ε_x，y轴的分量为ε_y，则其在陀螺房系X-Y-Z下的陀螺漂移ε_X-Y为：

从(4)式可见，陀螺漂移被调制成均值为0的正弦或余弦量，因此通过积分滤波就可将其消除掉。

由图1，旋转定子坐标系相对惯性空间敏感角速率在旋转坐标系x-y-z下表示为：

旋转调制量测方程可表示为：

其中K为比例系数常值矩阵，L为从陀螺漂移到陀螺漂移力矩的转换矩阵。

对(6)式进行解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

即

对(8)式积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率

从(9)式可以看出，所得到的陀螺房相对惯性空间的角速率经过一个旋转周期的积分后不再包含陀螺常值漂移，因此通过定子的旋转调制，实现了常值漂移的有效抑制。

简单地说，定子旋转调制的实质是：由于被测量是矢量，因此通过定子旋转主动改变敏感轴的方向，就实现了被测量的调制；而陀螺漂移ε是二维标量，则不会受到调制，从而达到分离被测量和陀螺漂移的目的。经调制解调，该方法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。

本发明的方案与现有方案比，主要优点在于：与传统滤波方法相比，通过对悬浮陀螺仪定子进行旋转调制，从机理上消除了径向两自由度上的陀螺漂移误差；与系统级悬浮角速率陀螺仪相比，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。

附图说明

图1为角速旋转调制示意图；

图2为本发明原理框图；

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)。

具体实施方案

速旋转调制示意图如图1所示，本发明的具体实施方案如图2所示，具体实施步骤如下：

1、旋转调制

定子旋转条件下，旋转调制量测方程为：

其中，e为检测到的力矩器电信号，h为检测到的轴承位移号，K为比例系数常值矩阵，L为从陀螺漂移到陀螺漂移力矩的转换矩阵，为旋转定子坐标系相对惯性空间角速率，ω_IgX、ω_IgY分别是陀螺房相对惯性空间的姿态角速率在陀螺房坐标X-Y-Z系的X轴和Y轴上的分量，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率，ε为陀螺漂移误差，ε_x，ε_y是ε在x、y两个自由度上的分量；

2、旋转解调

对上式进行解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

3、积分滤波

在旋转解调的基础上，对(11)式在旋转周期T内进行积分滤波，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5所示，图4中横坐标表示时间，单位为秒(s)；纵坐标表示解调后的姿态角，单位为度(°)。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5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。

通过对上述仿真实验结果可以看出，本发明提出的旋转调制误差补偿方法，通过对定子进行旋转调制和解调，实时补偿了陀螺漂移，提高了角速率的检测精度。这说明本发明提出的方法很好地实现了对悬浮陀螺转子角速率高精度检测，且计算实现较简单，工程性强。

需要说明的是，本发明公布了悬浮类陀螺对陀螺漂移的定子旋转调制误差抑制方法，由于篇幅所限，只是以对常值漂移为例进行了说明。事实上，经过类似的推导可以证明，该发明方法对陀螺的安装误差、标度因数误差等同样适用，因此对这些误差的抑制仍然属于本发明的保护范围之列。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的定子旋转调制误差补偿方法，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；随后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，具体包括以下步骤：

(1)旋转调制

定子旋转条件下，旋转调制量测方程为：

其中，e为检测到的力矩器电信号，h为检测到的轴承位移号，K为比例系数常值矩阵，L为从陀螺常值漂移到陀螺常值漂移力矩的转换矩阵，为旋转定子坐标系相对惯性空间角速率，ω_IgX、ω_IgY分别是陀螺房相对惯性空间的姿态角速率在陀螺房坐标X-Y-Z系的X轴和Y轴上的分量，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率，ε为陀螺漂移误差，ε_x，ε_y是ε在x、y两个自由度上的分量；

(2)旋转解调

对旋转调制量测方程进行解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

(3)积分滤波

对(2)式在旋转周期T内进行积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间的姿态角速率

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