CN107063307B - 基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机械陀螺仪的标定方法，具体是一种基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法。本发明解决了现有微机械陀螺仪标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题。基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）获取哥氏信号幅值；2）施加高精度虚拟哥氏力信号；3）更新由输入角速率产生的哥氏力信号和由虚拟哥氏力产生的信号；4）标定微机械陀螺仪的参数。本发明适用于微机械陀螺仪的标定。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺仪的标定方法，具体是一种基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法。
背景技术
微机械陀螺仪是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点，并广泛应用于诸多领域（比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等）。如图1-图3示，微机械陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路。所述陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结构。所述检测轴向结构包括检测力反馈结构、哥氏质量、检测位移提取结构。所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测自标定回路。所述检测自标定回路包括前级放大接口、次级放大器、解调器、低通滤波器、力反馈控制器、调制器、直流信号叠加装置、信号分离模块、自标定模块。所述自标定模块包括高精度虚拟哥氏力信号产生模块、叠加器、参数计算模块、哥氏力输出模块。微机械陀螺仪的工作模态包含驱动模态和检测模态。
微机械陀螺仪在经历长时间存储、温度影响、冲击振动等环境变化时，其参数（例如标度因数、零偏等）会发生较大变化，但微机械陀螺仪的参数通常已经装填在相关的系统（例如惯性导航系统、姿态测量系统等）中，因此为了保证系统的测量和控制精度，需要时刻对微机械陀螺仪的参数进行标定。目前，微机械陀螺仪的标定通常采用转台进行。实践表明，此种标定方法存在如下问题：其一，在标定过程中，需要反复进行微机械陀螺仪与台面之间的安装和拆卸，由此导致标定过程繁琐。其二，转台在运行中产生的误差和干扰会对标定结果造成直接和间接的影响，由此导致标定结果精度低。其三，在实际应用条件下（例如野外环境），往往很难提供转台，由此导致标定无法开展，从而导致应用范围受限。基于此，有必要发明一种全新的微机械陀螺仪标定方法，以解决现有微机械陀螺仪标定方法存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有微机械陀螺仪标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题，提供了一种基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）获取哥氏信号幅值；具体获取步骤如下：
1.1）检测位移提取结构产生检测位移信号；将检测位移信号送入前级放大接口，前级放大接口将检测位移信号转化为电压信号，并对电压信号进行初步放大；次级放大器对前级放大接口的输出信号进行进一步放大；
1.2）驱动闭环回路产生驱动模态激励信号；将驱动模态激励信号送入解调器，解调器以驱动模态激励信号为基准，将次级放大器的输出信号解调为哥氏信号和二倍频信号；
1.3）将哥氏信号和二倍频信号均送入低通滤波器，低通滤波器将二倍频信号滤除，由此得到哥氏信号幅值；
2）施加高精度虚拟哥氏力信号；具体施加步骤如下：
2.1）将哥氏信号幅值送入力反馈控制器，力反馈控制器根据哥氏信号幅值产生检测信号；将检测信号分别送入信号分离模块和叠加器，信号分离模块将检测信号分离为由输入角速率产生的哥氏力信号和由虚拟哥氏力产生的信号；
2.2）高精度虚拟哥氏力信号产生模块产生高精度虚拟哥氏力信号；
2.3）将高精度虚拟哥氏力信号送入叠加器，高精度虚拟哥氏力信号和检测信号在叠加器中叠加形成哥氏反馈低频信号；将哥氏反馈低频信号和驱动模态激励信号均送入调制器，调制器以驱动模态激励信号为基准，将哥氏反馈低频信号调制为控制信号；将控制信号和高精度直流基准信号均送入直流信号叠加装置，控制信号和高精度直流基准信号在直流信号叠加装置中叠加形成反馈力信号；将反馈力信号送入检测力反馈结构，检测力反馈结构根据反馈力信号分别产生反馈力和虚拟哥氏力；
3）更新由输入角速率产生的哥氏力信号和由虚拟哥氏力产生的信号；具体更新步骤如下：
3.1）赋予高精度虚拟哥氏力信号特征信息；
3.2）重新执行步骤2.3），由此得到更新的反馈力和虚拟哥氏力；
3.3）重新执行步骤1），由此得到更新的哥氏信号幅值；
3.4）重新执行步骤2.1），由此得到更新的由输入角速率产生的哥氏力信号和由虚拟哥氏力产生的信号；
4）标定微机械陀螺仪的参数；具体标定步骤如下：
4.1）将更新的由虚拟哥氏力产生的信号送入参数计算模块，更新的由虚拟哥氏力产生的信号和带有特征信息的高精度虚拟哥氏力信号在参数计算模块中进行同步解算，并通过拟合算法得到微机械陀螺仪的参数；
4.2）将更新的由输入角速率产生的哥氏力信号送入哥氏力输出模块，哥氏力输出模块对更新的由输入角速率产生的哥氏力信号进行进一步滤波和优化，由此得到最终输出信号。
与现有微机械陀螺仪标定方法相比，本发明所述的基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法不再采用转台，而是通过施加高精度虚拟哥氏力信号实现了微机械陀螺仪的标定，由此具备了如下优点：其一，本发明无需进行微机械陀螺仪与台面之间的安装和拆卸，由此有效简化了标定过程。其二，本发明有效避免了转台的误差和干扰对标定结果造成的影响，由此有效提高了标定结果精度。其三，本发明在各种应用条件下（例如野外环境）均可对微机械陀螺仪进行标定，由此使得应用范围不再受限。
本发明有效解决了现有微机械陀螺仪标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题，适用于微机械陀螺仪的标定。
附图说明
图1是微机械陀螺仪的结构示意图。
图2是微机械陀螺仪的检测自标定回路的结构示意图。
图3是微机械陀螺仪的自标定模块的结构示意图。
具体实施方式
基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）获取哥氏信号幅值；具体获取步骤如下：
1.1）检测位移提取结构产生检测位移信号YV；将检测位移信号YV送入前级放大接口，前级放大接口将检测位移信号YV转化为电压信号，并对电压信号进行初步放大；次级放大器对前级放大接口的输出信号进行进一步放大；
1.2）驱动闭环回路产生驱动模态激励信号XS；将驱动模态激励信号XS送入解调器，解调器以驱动模态激励信号XS为基准，将次级放大器的输出信号解调为哥氏信号和二倍频信号；
1.3）将哥氏信号和二倍频信号均送入低通滤波器，低通滤波器将二倍频信号滤除，由此得到哥氏信号幅值；
2）施加高精度虚拟哥氏力信号VC；具体施加步骤如下：
2.1）将哥氏信号幅值送入力反馈控制器，力反馈控制器根据哥氏信号幅值产生检测信号Ff；将检测信号Ff分别送入信号分离模块和叠加器，信号分离模块将检测信号Ff分离为由输入角速率产生的哥氏力信号CR和由虚拟哥氏力产生的信号CV；
2.2）高精度虚拟哥氏力信号产生模块产生高精度虚拟哥氏力信号VC；
2.3）将高精度虚拟哥氏力信号VC送入叠加器，高精度虚拟哥氏力信号VC和检测信号Ff在叠加器中叠加形成哥氏反馈低频信号CS；将哥氏反馈低频信号CS和驱动模态激励信号XS均送入调制器，调制器以驱动模态激励信号XS为基准，将哥氏反馈低频信号CS调制为控制信号ACS；将控制信号ACS和高精度直流基准信号DR均送入直流信号叠加装置，控制信号ACS和高精度直流基准信号DR在直流信号叠加装置中叠加形成反馈力信号YS；将反馈力信号YS送入检测力反馈结构，检测力反馈结构根据反馈力信号YS分别产生反馈力和虚拟哥氏力；
3）更新由输入角速率产生的哥氏力信号CR和由虚拟哥氏力产生的信号CV；具体更新步骤如下：
3.1）赋予高精度虚拟哥氏力信号VC特征信息；
3.2）重新执行步骤2.3），由此得到更新的反馈力和虚拟哥氏力；
3.3）重新执行步骤1），由此得到更新的哥氏信号幅值；
3.4）重新执行步骤2.1），由此得到更新的由输入角速率产生的哥氏力信号CR和由虚拟哥氏力产生的信号CV；
4）标定微机械陀螺仪的参数Cout；具体标定步骤如下：
4.1）将更新的由虚拟哥氏力产生的信号CV送入参数计算模块，更新的由虚拟哥氏力产生的信号CV和带有特征信息的高精度虚拟哥氏力信号VC在参数计算模块中进行同步解算，并通过拟合算法得到微机械陀螺仪的参数Cout；
4.2）将更新的由输入角速率产生的哥氏力信号CR送入哥氏力输出模块，哥氏力输出模块对更新的由输入角速率产生的哥氏力信号CR进行进一步滤波和优化，由此得到最终输出信号Gout。
具体实施时，所述步骤4.1）中，同步解算包括相除和解调，拟合算法为最小二乘法。
Claims (2)
1.一种基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
1）获取哥氏信号幅值；具体获取步骤如下：
1.1）检测位移提取结构产生检测位移信号（YV）；将检测位移信号（YV）送入前级放大接口，前级放大接口将检测位移信号（YV）转化为电压信号，并对电压信号进行初步放大；次级放大器对前级放大接口的输出信号进行进一步放大；
1.2）驱动闭环回路产生驱动模态激励信号（XS）；将驱动模态激励信号（XS）送入解调器，解调器以驱动模态激励信号（XS）为基准，将次级放大器的输出信号解调为哥氏信号和二倍频信号；
1.3）将哥氏信号和二倍频信号均送入低通滤波器，低通滤波器将二倍频信号滤除，由此得到哥氏信号幅值；
2）施加高精度虚拟哥氏力信号（VC）；具体施加步骤如下：
2.1）将哥氏信号幅值送入力反馈控制器，力反馈控制器根据哥氏信号幅值产生检测信号（Ff）；将检测信号（Ff）分别送入信号分离模块和叠加器，信号分离模块将检测信号（Ff）分离为由输入角速率产生的哥氏力信号（CR）和由虚拟哥氏力产生的信号（CV）；
2.2）高精度虚拟哥氏力信号产生模块产生高精度虚拟哥氏力信号（VC）；
2.3）将高精度虚拟哥氏力信号（VC）送入叠加器，高精度虚拟哥氏力信号（VC）和检测信号（Ff）在叠加器中叠加形成哥氏反馈低频信号（CS）；将哥氏反馈低频信号（CS）和驱动模态激励信号（XS）均送入调制器，调制器以驱动模态激励信号（XS）为基准，将哥氏反馈低频信号（CS）调制为控制信号（ACS）；将控制信号（ACS）和高精度直流基准信号（DR）均送入直流信号叠加装置，控制信号（ACS）和高精度直流基准信号（DR）在直流信号叠加装置中叠加形成反馈力信号（YS）；将反馈力信号（YS）送入检测力反馈结构，检测力反馈结构根据反馈力信号（YS）分别产生反馈力和虚拟哥氏力；
3）更新由输入角速率产生的哥氏力信号（CR）和由虚拟哥氏力产生的信号（CV）；具体更新步骤如下：
3.1）赋予高精度虚拟哥氏力信号（VC）特征信息；
3.2）重新执行步骤2.3），由此得到更新的反馈力和虚拟哥氏力；
3.3）重新执行步骤1），由此得到更新的哥氏信号幅值；
3.4）重新执行步骤2.1），由此得到更新的由输入角速率产生的哥氏力信号（CR）和由虚拟哥氏力产生的信号（CV）；
4）标定微机械陀螺仪的参数（Cout）；具体标定步骤如下：
4.1）将更新的由虚拟哥氏力产生的信号（CV）送入参数计算模块，更新的由虚拟哥氏力产生的信号（CV）和带有特征信息的高精度虚拟哥氏力信号（VC）在参数计算模块中进行同步解算，并通过拟合算法得到微机械陀螺仪的参数（Cout）；
4.2）将更新的由输入角速率产生的哥氏力信号（CR）送入哥氏力输出模块，哥氏力输出模块对更新的由输入角速率产生的哥氏力信号（CR）进行进一步滤波和优化，由此得到最终输出信号（Gout）。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟哥氏力的微机械陀螺仪自标定方法，其特征在于：所述步骤4.1）中，同步解算包括相除和解调，拟合算法为最小二乘法。
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