CN108489512B - 一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，包括控制模块(6)、陀螺模块(8)、V/F模块(9)，其特征在于：包括补偿标定模块(7)；所述补偿标定模块(7)采用拟合方法将陀螺模块(8)的温度转换为陀螺模块(8)的频率；然后采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率模型，计算标度因数信号；最后根据V/F模块(9)的脉冲信号和标度因数信号计算半球谐振陀螺的数字量信号；所述控制模块(6)用于采集陀螺模块(8)的温度信息，然后发送给补偿标定模块(7)。

Description

一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置，可用来调整半球谐振陀螺标度因数的大小、改善标度因数的温度稳定性，属于惯性技术领域。

背景技术

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠、长寿命和耐辐射的惯性姿态敏感器，特别适合航天空间应用。近年来，随着半球谐振陀螺基础理论研究的深入，谐振子精密加工、装配工艺的成熟以及电路控制技术的进步，半球谐振陀螺正逐渐走向工程化应用。与此同时，半球谐振陀螺的工程化面临着一系列的工程技术问题，对产品的工程化设计提出了很大的挑战。

半球谐振陀螺的标度因数是一项非常重要的技术指标。从工程化应用的角度考虑，半球谐振陀螺标度因数的数值大小必须保持在合适的数值范围内，同时针对影响其数值波动的温度变化环境具有一定的免疫性，即在外界环境温度的变化中，半球谐振陀螺的标度因数依然能够保证其数值的稳定性。

现有的半球谐振陀螺标度因数的数值调整以及温度稳定性的控制，是通过调整V/F变换模块5中采样电阻的大小以及将陀螺表头模块4和V/F变换模块5进行温度控制来实现的。如图1所示，现有的半球谐振陀螺系统包括温控电路模块1、控制电路模块2、温控单元模块3组成。

半球谐振陀螺标度因数数值的大小是通过调节V/F变换模块5来实现的。由于V/F变换模块5具有较高的灵敏度，因此对采样电阻阻值的准确性要求特别严苛。由于实际电阻阻值规格的离散性，采用了图2所示的采样电阻的配置方式来保证采样电阻阻值的准确性，采样电阻R的阻值为：

在实际的调试过程中第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3阻值的搭配以及计算过程比较复杂，且配调过程需要不断反复迭代。

半球谐振陀螺标度因数的温度稳定性是通过图1中的温控电路模块1和温控单元模块3来实现。温控电路模块1用来提供和保证陀螺表头模块4和V/F变换模块5所需的稳定的环境温度。这种方式在系统硬件上额外增加了电路开支，造成了系统体积和功耗的增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置，采用补偿标定方法替代现有技术中调节V/F变换模块中采样电阻阻值以及温度控制方法，实现了半球谐振陀螺标度因数数值大小的调整和温度稳定性的控制。本发明简单、可靠、实时，在不增加系统功耗和体积的情况下，显著改善了陀螺标度因数的温度稳定性以及数值大小调整的便易性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，包括控制模块、陀螺模块、V/F模块，包括补偿标定模块；

所述补偿标定模块采用拟合方法将陀螺模块的温度转换为陀螺模块的频率；然后采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率模型，计算标度因数信号；最后根据V/F模块的脉冲信号和标度因数信号计算半球谐振陀螺的数字量信号；

所述控制模块用于采集陀螺模块的温度信息，然后发送给补偿标定模块。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，所述补偿标定模块包括温度-频率变换子模块、标度因数温度建模子模块、标度因数比例调整子模块、脉冲计数子模块和乘法器子模块；

所述温度-频率变换子模块用于将陀螺模块的温度转换为陀螺模块的频率；所述标度因数温度建模子模块用于陀螺标度因数与温度的曲线拟合建模，并计算陀螺标度因数；所述标度因数比例调整子模块用于调整陀螺标度因数数值的大小；所述脉冲计数子模块用于将V/F模块的RS422脉冲信号转化为数字量信号；所述乘法器子模块根据脉冲计数子模块输出的数字量信号和标度因数比例调整子模块输出的陀螺标度因数，计算半球谐振陀螺的数字量信号。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，所述补偿标定模块将陀螺模块的温度转换为陀螺模块的频率采用的拟合方法为：

f₀＝a₁×T+b₁

其中，f₀为第二频率信号，a₁和b₁均为谐振频率拟合的系数，T为温度。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，所述采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率的模型为：

k₁＝a₃×f₀+b₃

其中，k₁为标度因数第一信号，a₃和b₃均为陀螺标度因数与频率模型的两个拟合系数，f₀为第二频率信号。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，所述标度因数信号为：

k₂＝k₁/k_目标

其中，k₂为标度因数信号，k₁为标度因数第一信号，k_目标为陀螺标度因数的目标数值。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，所述半球谐振陀螺的数字量信号为：

y₀＝k₂×y₁

其中

y₁＝N₁-N₂

式中，y₀为数字量信号，y₁为第一数字量信号，k₂为标度因数信号，N₁为正脉冲个数，N₂为负脉冲个数。

一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，包括如下步骤：

步骤一、采用拟合方法将半球谐振陀螺的温度转换为半球谐振陀螺的频率；

步骤二、根据步骤一，采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率模型，计算标度因数信号；

步骤三、根据半球谐振陀螺的V/F模块的脉冲信号和步骤二中的标度因数信号，计算半球谐振陀螺的数字量信号。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，所述步骤一中将半球谐振陀螺的温度转换为半球谐振陀螺的频率的拟合方法为：

f₀＝a₁×T+b₁

其中，f₀为第二频率信号，a₁和b₁均为谐振频率的拟合系数，T为温度。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，所述步骤二中采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率的模型为：

k₁＝a₃×f₀+b₃

其中，k₁为标度因数第一信号，a₃和b₃均为陀螺标度因数与频率模型的两个拟合系数，f₀为第二频率信号。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，所述步骤二中计算的标度因数信号为：

k₂＝k₁/k_目标

其中，k₂为标度因数信号，k₁为标度因数第一信号，k_目标为陀螺标度因数的目标数值。

上述半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，所述步骤三中半球谐振陀螺的数字量信号为：

y₀＝k₂×y₁

其中

y₁＝N₁-N₂

式中，y₀为数字量信号，y₁为第一数字量信号，k₂为标度因数信号，N₁为正脉冲个数，N₂为负脉冲个数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用陀螺自身的频率信息(数字量)反映外界温度信息，无需额外添加温度传感器，且频率信息来源于陀螺模块，更能真实的反映陀螺自身的温度信息，具有较强的准确性和实时性；

(2)本发明相比传统的调节V/F变换模块中采样电阻阻值的方式，本发明只需改变标度因数比例调整模块的参数，即可完成标度因数数值大小的调整，大大降低了标度因数数值大小调整的复杂度；

(3)本发明最重要的是，采用了一种补偿标定的方式，替代原有的温度控制的方式，减少了温度控制所带来的硬件资源的消耗，大大降低了系统的体积和功耗；

(4)本发明提出的补偿标定主要在FPGA中实现，通过对陀螺谐振频率与温度、标度因数与温度进行曲线拟合建模来获得补偿参数，最后再将参数配置到FPGA中，补偿方法相对简单，方便。

附图说明

图1为现有技术中标度因数数值调整和温度稳定性控制的拓扑结构示意图；

图2为现有技术V/F变换模块中采样电阻的拓扑结构示意图；

图3为本发明的标度因数补偿标定的拓扑结构示意图；

图4为本发明的补偿标定模块的拓扑结构示意图；

图5为本发明半球谐振陀螺力平衡工作模式的简易示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置，采用补偿标定方法解决半球谐振陀螺标度因数的温度稳定性、调整半球谐振陀螺标度因数数值的大小。本发明提出的补偿标定方法的拓扑结构如图3所示，半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置包括核心的补偿标定模块7，补偿标定模块7能够采用FPGA实现，还包括与补偿标定模块7相连的控制模块6和V/F模块9，控制模块6、V/F模块9同时与陀螺模块8相连。补偿标定模块7的输入来自控制模块6的温度T以及V/F模块9的RS422脉冲信号y，补偿标定模块7最终输出数字量信号y₀。

补偿标定模块7包括温度-频率变换子模块10、标度因数温度建模子模块11、标度因数比例调整子模块12、脉冲计数子模块13和乘法器子模块14，如图4所示。温度-频率变换子模块10用于将陀螺模块8的温度信息转换为陀螺模块8的频率信息，即用陀螺模块8的频率信息来充当温度信息。补偿标定模块7的输入来自控制模块6的温度T，温度-频率变换子模块10通过变换后输出第二频率信号f₀，用第二频率信号f₀充当温度信息。标度因数温度建模子模块11用于陀螺标度因数与温度(或频率)的曲线拟合建模，标度因数温度建模子模块11的输入来自温度-频率变换子模块10，标度因数温度建模子模块11建模后输出标度因数第一信号k₁。标度因数比例调整子模块12用于陀螺标度因数数值大小的调整，标度因数比例调整子模块12的输入来自标度因数温度建模子模块11输出的标度因数第一信号k₁，标度因数比例调整子模块12调整后输出标度因数信号k₂；脉冲计数子模块13用于将RS422脉冲信号转化为数字量信号，脉冲计数子模块13的输入来自V/F模块9输出的RS422脉冲信号y，脉冲计数子模块13输出第一数字量信号y₁。乘法器子模块14的输入为标度因数比例调整子模块12输出的标度因数信号k₂和脉冲计数子模块13输出第一数字量信号y₁，乘法器子模块14输出数字量信号y₀。

其中，温度-频率变换子模块10和脉冲计数子模块13为补偿标定模块7的输入接口模块，乘法器子模块14为补偿标定模块7的输出接口模块。标度因数温度建模子模块11的用于完成本发明的补偿功能，标度因数比例调整子模块12用于完成本发明的标定功能。

温度-频率变换子模块10与控制模块6、标度因数温度建模子模块11连接，控制模块6的温度T为温度-频率变换子模块10的输入信号，温度-频率变换子模块10的输出信号为反映温度信息的第二频率信号f₀；标度因数温度建模子模块11与温度-频率变换子模块10、标度因数比例调整子模块12连接，温度-频率变换子模块10输出的第二频率信号f₀为标度因数温度建模子模块11的输入信号，标度因数温度建模子模块11的输出信号为第二频率信号f₀建模后的标度因数第一信号k₁；标度因数比例调整子模块12与标度因数温度建模子模块11、乘法器子模块14连接，标度因数温度建模子模块11输出的标度因数第一信号k₁为标度因数比例调整子模块12的输入信号，标度因数比例调整子模块12的输出信号为调整大小后的陀螺模块8的标度因数信号k₂；脉冲计数子模块13与V/F模块9、乘法器子模块14连接，V/F模块9的RS422脉冲信号y为脉冲计数子模块13的输入信号，脉冲计数子模块13的输出信号为第一数字量信号y₁；乘法器子模块14与标度因数比例调整子模块12、脉冲计数子模块13连接，标度因数比例调整子模块12输出的标度因数信号k₂和脉冲计数子模块13输出的第一数字量信号y₁均为乘法器子模块14的输入信号，乘法器子模块14的输出信号为整个装置最终输出的数字量信号y₀。

以下对补偿标定模块7的各子模块的工作原理和实施方式作进一步说明。

所述控制模块6用于采集陀螺模块8的温度信息，然后发送给补偿标定模块7。

温度-频率变换子模块10的功能是采用拟合方法将陀螺模块8的温度信息转换为陀螺模块8的频率信息。半球谐振陀螺是一种固态振动式陀螺，其最基本的特点是工作于谐振状态，即其振动维持在某一固定的频率点上。半球谐振陀螺的制造材料为熔融石英材料，当温度变化时，陀螺材料的弹性模量E同样会发生变化，相比较其自身的弹性模量来讲，该弹性模量变化量ΔE比较小，因此陀螺模块8的第一频率信号f可以写为：

上式中，t为陀螺谐振子的壁厚，r为陀螺谐振子的直径E为陀螺谐振子材料的弹性模量，ρ为陀螺谐振子材料的密度，β为常量，E₀为陀螺谐振子材料在常温下的弹性模量；n为陀螺工作的振动模态阶数，本实施例中n＝2。由于材料弹性模量E的变化ΔE与温度的变化成线性关系，结合式(2)得到陀螺模块8的第一频率信号f与温度T成线性关系。温度-频率变换子模块10的具体实施是通过温度试验采用拟合方法的实现。试验时，设置三个不同的温度点：低温温度点T₁，常温温度点T₂和高温温度点T₃，分别保持一段时间t₀，并分别得到三个温度点下的陀螺的谐振频率数据f₁，f₂，f₃。首先，计算得到三个温度点下的平均谐振频率

然后利用

与温度T₁、T₂、T₃进行一次曲线拟合，得到谐振频率的两个拟合系数分别为a₁和b₁，该模块最终的输出第二频率信号f₀为：

f₀＝a₁×T+b₁ (4)

标度因数温度建模子模块11的功能是建立陀螺标度因数与温度信息(能反映温度信息的第二频率信号f₀)的模型。半球谐振陀螺工作在力平衡工作模式，其力平衡工作模式的简易示意图如图5所示。陀螺工作时，在固定的驱动力f_a的驱动下，陀螺的驱动模态以恒幅q_a保持振动，在与驱动力成45度夹角的地方对陀螺施加平衡力f_b，使其检测模态始终保持在零振幅。工作在力平衡模式下的半球谐振陀螺通过检测平衡力大小的方式来检测外界角速度。施加的平衡力f_b的表达式为：

f_b＝4A_gmwq_aΩ (5)

式中，A_g为半球谐振陀螺的角增益，m为半球谐振陀螺的等效质量，w为陀螺的圆频率，q_a为陀螺驱动模态的振动幅度，Ω为外界角速度。半球谐振陀螺标度因数k₊₁的表达式为：

k₊₁＝4A_gmq_aw＝8A_gmq_aπf (6)

结合式(2)、式(6)可知，当温度变化时，影响陀螺标度因数的参数只有频率随温度发生变化，由于频率随温度是线性变化的，因此陀螺的标度因数随温度也是线性变化的。标度因数温度建模模块的具体实施同样是通过温度试验的方式实现。试验时，同样设置三个不同的温度点：低温温度点T₁，常温温度点T₂和高温温度点T₃，分别保持一段时间t₀，在各个温度点保持阶段通过温箱的内置转台对陀螺施加+1°/s和-1°/s的角速率，得到两个角速率条件下相应的陀螺的标度因数k₊₁和k_-1。首先，计算得到三个温度点下的平均陀螺标度因数

然后利用

与温度T₁、T₂、T₃进行一次曲线拟合，得到标度因数与温度的两个拟合系数分别为a₂和b₂，采用拟合方法建立陀螺标度因数与温度的模型为：

k₁＝a₂×T+b₂ (8)

结合式(4)，将式(8)中的温度T用第二频率信号f₀替换，得到陀螺标度因数与频率的模型为：

k₁＝a₃×f₀+b₃ (9)

式中，k₁为标度因数第一信号，a₃、b₃为陀螺标度因数与频率模型的两个拟合系数。

本发明提到的温度-频率变换子模块10以及标度因数温度建模子模块11的具体实施，可以采用同一温度试验开展，从而提高本发明标度因数补偿的效率。通过温度试验过程得到的需配置到FPGA的最终参数为a₃，b₃。

标度因数比例调整子模块12的功能是实现陀螺标度因数大小的调整。该模块的具体实施主要是进行陀螺标度因数比例系数的设置，假设系统要求的陀螺标度因数的目标数值为k_目标，那么该模块输出的标度因数第二信号k₂为：

k₂＝k₁/k_目标 (10)

脉冲计数子模块13的功能是将V/F模块9的RS422脉冲信号y转换为第一数字量信号y₁。RS422脉冲信号y涉及正负脉冲通道，在FPGA中采用两个计数器来检测RS422正负脉冲通道的脉冲数，其中一个计数器对RS422正脉冲进行计数得到N₁，采用另一个计数器对RS422负脉冲进行计数得到N₂。该模块最终输出的第一数字量信号y₁为：

y₁＝N₁-N₂ (11)

乘法器子模块14的功能是将V/F模块9输出的第一数字量信号y₁与标度因数比例调整子模块12输出的标度因数信号k₂相乘，该模块得到陀螺最后输出的数字量信号y₀为：

y₀＝k₂×y₁ (12)

数字量信号y₀综上即为整个半球谐振陀螺的信号。

综上所述，本发明提出的半球谐振陀螺标度因数的补偿标定的方法，需向FPGA配置的最终参数只有a₃，b₃，k_目标三个参数，而其它参数均为过程转换参数，不需配置到FPGA中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，包括控制模块(6)、陀螺模块(8)、V/F模块(9)，其特征在于：包括补偿标定模块(7)；

所述补偿标定模块(7)采用拟合方法将陀螺模块(8)的温度转换为陀螺模块(8)的频率；然后采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率模型，计算标度因数信号；最后根据V/F模块(9)的脉冲信号和标度因数信号计算半球谐振陀螺的数字量信号；

所述控制模块(6)用于采集陀螺模块(8)的温度信息，然后发送给补偿标定模块(7)；

所述补偿标定模块(7)包括标度因数温度建模子模块(11)、标度因数比例调整子模块(12)；所述标度因数温度建模子模块(11)用于陀螺标度因数与温度的曲线拟合建模，并计算陀螺标度因数；所述标度因数比例调整子模块(12)用于调整陀螺标度因数数值的大小；

所述标度因数信号为：

k₂＝k₁/k_目标

其中，k₂为标度因数信号，k₁为标度因数第一信号，k_目标为陀螺标度因数的目标数值；

所述补偿标定模块(7)还包括温度-频率变换子模块(10)、脉冲计数子模块(13)和乘法器子模块(14)；

所述温度-频率变换子模块(10)用于将陀螺模块(8)的温度转换为陀螺模块(8)的频率；所述脉冲计数子模块(13)用于将V/F模块(9)的RS422脉冲信号转化为数字量信号；所述乘法器子模块(14)根据脉冲计数子模块(13)输出的数字量信号和标度因数比例调整子模块(12)输出的陀螺标度因数，计算半球谐振陀螺的数字量信号；

所述半球谐振陀螺的数字量信号为：

y₀＝k₂×y₁

其中

y₁＝N₁-N₂

式中，y₀为数字量信号，y₁为第一数字量信号，k₂为标度因数信号，N₁为正脉冲个数，N₂为负脉冲个数。

2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，其特征在于：所述补偿标定模块(7)将陀螺模块(8)的温度转换为陀螺模块(8)的频率采用的拟合方法为：

f₀＝a₁×T+b₁

其中，f₀为第二频率信号，a₁和b₁均为谐振频率拟合的系数，T为温度。

3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定装置，其特征在于：所述采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率的模型为：

k₁＝a₃×f₀+b₃

其中，k₁为标度因数第一信号，a₃和b₃均为陀螺标度因数与频率模型的两个拟合系数，f₀为第二频率信号。

4.一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，其特征在于：利用权利要求1所述的补偿标定装置，包括如下步骤：

步骤一、采用拟合方法将半球谐振陀螺的温度转换为半球谐振陀螺的频率；

步骤二、根据步骤一，采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率模型，计算标度因数信号；

步骤三、根据半球谐振陀螺的V/F模块(9)的脉冲信号和步骤二中的标度因数信号，计算半球谐振陀螺的数字量信号；

所述步骤二中计算的标度因数信号为：

k₂＝k₁/k_目标

其中，k₂为标度因数信号，k₁为标度因数第一信号，k_目标为陀螺标度因数的目标数值。

5.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，其特征在于：所述步骤一中将半球谐振陀螺的温度转换为半球谐振陀螺的频率的拟合方法为：

f₀＝a₁×T+b₁

其中，f₀为第二频率信号，a₁和b₁均为谐振频率的拟合系数，T为温度。

6.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法，其特征在于：所述步骤二中采用拟合方法建立陀螺标度因数与频率的模型为：

k₁＝a₃×f₀+b₃

其中，k₁为标度因数第一信号，a₃和b₃均为陀螺标度因数与频率模型的两个拟合系数，f₀为第二频率信号。

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