CN110686662A - 一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统 - Google Patents

一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，该系统在力平衡模式同时驱动第一模态和第二模态，并同时检测第一模态和第二模态，从而在同一个陀螺结构上实现两个力平衡模式的谐振陀螺，并通过双模式差分，可完全抑制刚度正交误差和阻尼正交误差的干扰。本发明采用完全的物理手段对刚度正交误差和阻尼正交误差进行数学消除，避免了力平衡模式中使用电路手段仅能对刚度正交误差进行抑制的不足，简化了控制电路的复杂度，可实现谐振式陀螺零位误差的在线自校准。

Description

一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统
技术领域
本发明涉及谐振式陀螺仪领域，具体涉及一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统。
背景技术
以半球谐振陀螺、多环陀螺为代表的谐振式陀螺，是一种新型的高精度振动陀螺。其主要利用一组完全正交的简并模态，分别作为驱动模态和检测模态使用来敏感科氏力效应。
现有谐振式陀螺的工作模式主要分为两类：一、全角度模式，即谐振子的驻波自由进动，通过驻波角度来敏感角度信息；二、力平衡模式，即将谐振子驻波绑定在第一模态(P模态)上进行驱动，通过第二模态(Q模态)进行检测来敏感角速度信息。
但是，由于陀螺本身的材料、工艺误差等非理想因素，谐振式陀螺的两模态间无法实现理论上的绝对正交，使用上述两种工作模式必然会引入阻尼和刚度的非理想正交误差，从而严重制约谐振式陀螺的性能水平。现有解决方案，主要通过电路补偿的方式，对刚度正交误差进行补偿，但对阻尼正交误差缺乏手段。
发明内容
本发明的目的是提供了一种双模态差分的谐振式陀螺仪系统，该系统通过双模式差分，对于开环系统，由两模态检测电极上检测信号的差分作为陀螺输出信号；对于闭环系统，由两模态驱动电极上控制信号的差分作为陀螺输出信号，可完全抑制刚度正交误差和阻尼正交误差的干扰。
为了达到上述目的，本发明提供了一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，所述系统包含：
沿中心轴对称的谐振子；
4个驱动电极，所述谐振子在驱动电极的作用下，同时激发两个谐振模态，记为第一模态和第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；其中一半驱动电极用于第一模态的驱动，另一半驱动电极用于第二模态的驱动；
4个检测电极，所述检测电极监测上述两个谐振模态的运动状态，形成检测信号；第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；其中，一半检测电极用于第一模态的监测，另一半检测电极用于第二模态的监测；
控制电路模块，通过对第一检测信号和第二检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
较佳地，所述谐振子几何结构沿中心对称，且沿轴对称。
较佳地，所述谐振子能沿其质量中心的轴线旋转任意角度均对称。
较佳地，所述谐振子的结构形式包含半球形、球形、圆形、盘形、环形、多环形、圆柱形中的至少一种。
较佳地，所述第一模态和第二模态由驱动电极同时激发，且两个模态同频、同幅、同相。
较佳地，所述系统还包含支撑结构。
本发明还提供一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统的用途，应用于开环控制系统和/或闭环控制系统的误差校准。
本发明还提供一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于开环系统的误差校准方法：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态、第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测上述两个谐振模态的运动状态，第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块；所述控制电路模块通过对第一检测信号和第二检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
本发明还提供一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于闭环系统的误差校准方法：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态和第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测第一模态和第二模态的运动状态，第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块，所述控制电路模块控制第一检测信号和第二检测信号的频率、幅度、相位相同，分别输出第一控制信号和第二控制信号；
S4：所述第一控制信号和第二控制信号，分别给入第一模态和第二模态的驱动电极，再次激发两个模态，形成循环闭合回路；同时，对所述第一控制信号和第二控制信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
本发明取得如下有益效果：
本发明提供了一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，该系统在力平衡模式同时驱动第一模态和第二模态，并同时检测第一模态和第二模态，从而在同一个陀螺结构上实现两个力平衡模式的谐振陀螺，并通过双模式差分，可完全抑制刚度正交误差和阻尼正交误差的干扰。本发明采用完全的物理手段对刚度正交误差和阻尼正交误差进行数学消除，避免了力平衡模式中使用电路手段仅能对刚度正交误差进行抑制的不足，简化了控制电路的复杂度，可实现谐振式陀螺零位误差的在线自校准，免除了陀螺应用过程中对陀螺零位输出的反复测试与标定。
附图说明
图1为本发明的陀螺仪系统的结构示意图；
其中，1-谐振子，2-驱动电极，3-检测电极。
图2为本发明的开环系统的工作示意图。
图3为本发明的闭环系统的工作示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，“科氏力”是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。
如图1所示，本发明提供的一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，所述系统包含：
沿中心轴对称的谐振子1；
4个驱动电极2，对所述谐振子1发出控制信号，所述谐振子1在驱动电极2的作用下，同时激发出两个谐振模态，记为第一模态(P模态)和第二模态(Q模态)，并对所述谐振子2进行运动状态控制；
进一步地，所述4个驱动电极2，其中2个驱动电极用于第一模态的驱动，另2个驱动电极用于第二模态的驱动；
进一步地，所述4个驱动电极2分布在所述谐振子1的360°的平面周向方向上，每个驱动电极2之间的方位角度相差(90°/n)，n为陀螺工作简并模态的阶数；
4个检测电极3，所述检测电极3监测第一模态(P模态)和第二模态(Q模态)的运动状态，形成检测信号；第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；
进一步地，所述4个检测电极3，其中2个检测电极用于第一模态的监测，另2个检测电极用于第二模态的监测；
进一步地，所述4个检测电极3分布在所述谐振子1的360°的周向方向上，每个检测电极3之间的方位角度相差(90°/n)，n为陀螺工作简并模态的阶数；
控制电路模块，通过对第一检测信号和第二检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息；
支撑结构，所述支撑结构用于支撑谐振子。
进一步地，所述谐振子1的几何结构满足沿中心对称，且满足沿轴对称；且所述谐振子1可沿其质量中心的轴线旋转任意角度均对称。
进一步地，所述谐振子1的结构形式包括半球形、球形、圆形、盘形、环形、多环形、圆柱形等。
进一步地，所述谐振子激发出的两个第一模态(P模态)和第二模态(Q模态)由驱动电极2同时激发，且第一模态(P模态)和第二模态(Q模态)同频、同幅、同相。
另一方面，本发明提供可应用于开环控制系统和/或闭环控制系统的误差校准。
对于开环系统，由两模态检测电极上检测信号的差分作为陀螺输出信号；对于闭环系统，由两模态驱动电极上控制信号的差分作为陀螺输出信号。
具体地，作为本发明的一个具体应用实施例，当本发明应用于开环系统时，在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于开环系统的误差校准方法，如图2所示：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态(P模态)、第二模态(Q模态)，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测上述两个谐振模态的运动状态，第一模态(P模态)的检测信号记为第一检测信号，第二模态(Q模态)的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块；所述控制电路模块通过对两个谐振模态的检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
具体地，作为本发明的另一个具体应用实施例，当本发明应用于闭环系统时，在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于闭环系统的误差校准方法，如图3所示：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态和第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测第一模态(P模态)和第二模态(Q模态)的运动状态，第一模态(P模态)的检测信号记为第一检测信号，第二模态(Q模态)的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块，所述控制电路模块控制第一检测信号和第二检测信号的频率、幅度、相位相同，分别输出第一控制信号和第二控制信号；
S4：所述第一控制信号和第二控制信号，分别给入第一模态和第二模态的驱动电极，再次激发两个模态，形成循环闭合回路；同时，对所述第一控制信号和第二控制信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
综上所述，本发明提供了一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，该系统在力平衡模式同时驱动第一模态和第二模态，并同时检测第一模态和第二模态，从而在同一个陀螺结构上实现两个力平衡模式的谐振陀螺，并通过双模式差分，可完全抑制刚度正交误差和阻尼正交误差的干扰。本发明采用完全的物理手段对刚度正交误差和阻尼正交误差进行数学消除，避免了力平衡模式中使用电路手段仅能对刚度正交误差进行抑制的不足，简化了控制电路的复杂度，可实现谐振式陀螺零位误差的在线自校准，免除了系统标定。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述系统包含：
沿中心轴对称的谐振子；
4个驱动电极，所述谐振子在驱动电极的作用下，同时激发两个谐振模态，记为第一模态和第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；其中一半驱动电极用于第一模态的驱动，另一半驱动电极用于第二模态的驱动；
4个检测电极，所述检测电极监测上述两个谐振模态的运动状态，形成检测信号；第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；其中，一半检测电极用于第一模态的监测，另一半检测电极用于第二模态的监测；
控制电路模块，通过对第一检测信号和第二检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
2.如权利要求1所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述谐振子几何结构沿中心对称，且沿轴对称。
3.如权利要求1所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述谐振子能沿其质量中心的轴线旋转任意角度均对称。
4.如权利要求1所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述谐振子的结构形式包含半球形、球形、圆形、盘形、环形、多环形、圆柱形中的至少一种。
5.如权利要求1所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述第一模态和第二模态由驱动电极同时激发，且两个模态同频、同幅、同相。
6.如权利要求1所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统，其特征在于，所述系统还包含支撑结构。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统的用途，应用于开环控制系统和/或闭环控制系统的误差校准。
8.一种如权利要求7所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于开环系统的误差校准方法：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态、第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测上述两个谐振模态的运动状态，第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块；所述控制电路模块通过对第一检测信号和第二检测信号进行差分，得到谐振子的角速度信息。
9.一种如权利要求7所述的可在线自校准的双模式差分谐振式陀螺仪系统应用于闭环系统的误差校准方法：
S1：所述驱动电极对所述谐振子发出控制信号，激发出两个谐振模态，即第一模态和第二模态，并对所述谐振子进行运动状态控制；
S2：所述检测电极监测第一模态和第二模态的运动状态，第一模态的检测信号记为第一检测信号，第二模态的检测信号记为第二检测信号；
S3：所述第一检测信号和第二检测信号输出至控制电路模块，所述控制电路模块控制第一检测信号和第二检测信号的频率、幅度、相位相同，分别输出第一控制信号和第二控制信号；
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