CN109655049A - 一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法，在杯形陀螺上均布有一组压电陶瓷片，还包括有与在各压电陶瓷片相连的融合电路，在融合电路上连接有低通滤波电路和ARM控制芯片；融合电路用于采集各压电陶瓷片由于振动产生的电压变化信号和ARM控制芯片反馈的183Hz脉宽调制信号；ARM控制芯片反馈至融合电路的183Hz脉宽调制信号采用数字式PID算法，该PID算法公式为：其中u(t)表示控制器的脉宽输出，e(t)表示控制器的输入，Kp表示控制器的比例放大系数，Ti表示控制器的积分时间，Td表示控制器的微分时间。

Description

一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法
技术领域
本发明涉及杯形陀螺的技术领域，特别是涉及陀螺振动幅值提取的技术领域。
背景技术
杯形陀螺是一种典型的哥式振动陀螺，其在谐振频率下以稳定幅度进行振动时，便可在谐振子45°的方位上检测外界输入的角速度信号，对此信号进行解调、滤波、采集后便可获取外界角速度信号。振动幅度的获取对于杯形陀螺的控制、补偿都有着十分重要的作用，现有的幅度获取主要有两种方式，一种是通过激光测振仪直接测量谐振子的振动幅度，这种方法获取的振动幅度真实可靠，但却无法应用于陀螺的伺服控制与补偿；另一种方式是通过示波器测量陀螺振动带动的压电陶瓷输出的波形来获取振动幅度，这种方法依然存在无法参与伺服控制与补偿的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，提供一种提取杯形陀螺振动幅度精度高，且实现产品化的陀螺振动幅度的方法，本发明采用的技术方案是：
一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法，在所述的杯形陀螺上均布有一组压电陶瓷片，还包括有与在各所述的压电陶瓷片相连的融合电路，在所述的融合电路上连接有低通滤波电路和ARM控制芯片；
所述的融合电路用于采集各压电陶瓷片由于振动产生的电压变化信号和ARM控制芯片反馈的183Hz脉宽调制信号；该融合电路将采集的压电陶瓷片产生的电压正弦信号、经过整流后的正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号，该融合电路将正弦信号、正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号合成后产生波形涵盖4KHz和183Hz频率信号；
将波形涵盖4KHz和183Hz频率信号传输至低通滤波电路，通过低通滤波电路处理滤除4KHz和183Hz的频率信号仅保留幅值信息，以直流电压信号输出；
ARM控制芯片采集由低通滤波电路输出的直流电压信号，该直流电压信号中含有振动幅值信号；
所述ARM控制芯片反馈至融合电路的183Hz脉宽调制信号采用数字式PID算法，该PID算法公式为：其中u(t)表示控制器的脉宽输出，e(t)表示控制器的输入，Kp表示控制器的比例放大系数，Ti表示控制器的积分时间，Td表示控制器的微分时间。
进一步的，所述的ARM控制芯片采用ST公司型号为stm32f103的芯片。
进一步的，所述的杯形陀螺包括陀螺外罩、谐振子、导振环、基座和螺钉，所述的压电陶瓷片为8片或者16片通过导电胶均匀地粘贴在谐振子底座上。
采用上面的方法：针对现有提取杯形陀螺振动幅度精度较低且无法产品化的问题，本方法通过在杯形陀螺谐振子底座处粘接压电陶瓷片将机械振动转换为电信号，接着利用融合电路、低通滤波电路和ARM控制芯片的数字PID算法实现了高精度提取杯形陀螺的振动幅值，通过试验证实提取杯形陀螺振动幅值的精度可达50ppm，并且实现了产品化。
附图说明
图1是本发明杯形陀螺的结构示意图；
图2是本发明模块化电路连接示意图；
图3是多信号融合电路；
图4是低通滤波电路。
具体实施方式
如图1所示的杯形陀螺包括陀螺外罩2、谐振子3、导振环4、基座5和螺钉6，采用本发明提取杯形陀螺的振动幅值时需要在谐振子3底座上均布一组压电陶瓷片1来采集振动信号并将其转化为电压信号，其中压电陶瓷片1通过导电胶粘贴在谐振子3的底座上，且至少设置8片压电陶瓷片1，或者采用16片压电陶瓷片1也可以，压电陶瓷片1的数量以8的倍数来增减，只要有足够的安装空间均可。
整体电路结构如图2所示：压电陶瓷片1电连接到融合电路，融合电路电连接到低通滤波电路，低通滤波电路电连接到ARM控制芯片，ARM控制芯片与融合电路连接。
在各压电陶瓷片1上电连接有融合电路，压电陶瓷片1输出的陀螺振动波形为频率4KHZ左右、幅值为2.5V左右的正弦波，在不同的环境温度条件下陀螺的中心频率与幅值均有不同程度的变化，该融合电路如图3所示，融合电路用于采集各压电陶瓷片1由于振动产生的电压变化信号和ARM控制芯片反馈的183Hz脉宽调制信号；该融合电路将采集的压电陶瓷片1产生的电压正弦信号、经过整流后的正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号，该融合电路将正弦信号、正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号合成后产生波形涵盖4KHz和183Hz频率信号。
融合电路将波形涵盖4KHz和183Hz频率信号传输至低通滤波电路，如图4所示的低通滤波电路，通过低通滤波电路处理滤除4KHz和183Hz的频率信号仅保留幅值信息，以直流电压信号输出。
ARM控制芯片采集由低通滤波电路输出的直流电压信号，该直流电压信号中含有振动幅值信号；该信号中含有振动幅值信号，若无反馈脉宽调制信号的叠加，该直流电压信号将饱和，因此闭环PID反馈算法对于振动幅值的提取至关重要，因此ARM控制芯片反馈至融合电路的183Hz脉宽调制信号采用数字式PID算法，该PID算法公式为：其中u(t)表示控制器的脉宽输出，e(t)表示控制器的输入，Kp表示控制器的比例放大系数，Ti表示控制器的积分时间，Td表示控制器的微分时间。闭环反馈实现了高精度提取振动幅值信号，精度可达50ppm。其中ARM控制芯片采用ST公司型号为stm32f103的芯片。

Claims (3)

1.一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法，在所述的杯形陀螺上均布有一组压电陶瓷片(1)，其特征在于：还包括有与在各所述的压电陶瓷片(1)相连的融合电路，在所述的融合电路上连接有低通滤波电路和ARM控制芯片；
所述的融合电路用于采集各压电陶瓷片(1)由于振动产生的电压变化信号和ARM控制芯片反馈的183Hz脉宽调制信号；该融合电路将采集的压电陶瓷片(1)产生的电压正弦信号、经过整流后的正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号，该融合电路将正弦信号、正半馒头波、-4.096V电压信号和183Hz脉宽调制信号合成后产生波形涵盖4KHz和183Hz频率信号；
将波形涵盖4KHz和183Hz频率信号传输至低通滤波电路，通过低通滤波电路处理滤除4KHz和183Hz的频率信号仅保留幅值信息，以直流电压信号输出；
ARM控制芯片采集由低通滤波电路输出的直流电压信号，该直流电压信号中含有振动幅值信号；
所述ARM控制芯片反馈至融合电路的183Hz脉宽调制信号采用数字式PID算法，该PID算法公式为： 其中u(t)表示控制器的脉宽输出，e(t)表示控制器的输入，Kp表示控制器的比例放大系数，Ti表示控制器的积分时间，Td表示控制器的微分时间。
2.根据权利要求1所述的一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法，其特征在于：所述的ARM控制芯片采用ST公司型号为stm32f103的芯片。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度提取杯形陀螺振动幅度的方法，其特征在于：所述的杯形陀螺包括陀螺外罩(2)、谐振子(3)、导振环(4)、基座(5)和螺钉(6)，所述的压电陶瓷片(1)为8片或者16片通过导电胶均匀地粘贴在谐振子(3)底座上。
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