CN111006690B - 一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，该系统包括：固体波动陀螺；信号解调模块；FPGA处理模块，其包含并联的五个回路，所述五个回路是x回路、y回路、正交回路、相位跟踪回路、调频回路；信号调制模块；所述固体波动陀螺、信号解调模块、FPGA处理模块、信号调制模块依次连接形成信号闭合回路。本发明通过谐振式固体波动陀螺的模态输出并进行解调，将解调后的信号送入各个回路进行目标控制，在自校准模式下通过X回路和Y回路的控制力做差来反映系统的角速度输出，在没有外界角速度输入的情况下，通过X回路和Y回路二者相减使固体波动陀螺此时输出为零，实现零位自校准；利用本发明可以大幅降低系统的零位误差，提高系统的标度因数。

Description

一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统
技术领域
本发明涉及惯性传感器领域，具体涉及一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统。
背景技术
现有的固体波动陀螺多工作在传统的力平衡模式下，此模式通过力平衡回路抵消哥式力对谐振子进动状态的影响。通过控制作用的大小表征哥式力的大小，根据哥式力与转速间的比例关系，就可以解算得到陀螺及所在载体的转动速率。然而由于加工工艺的不足，阻尼分布不均，频率裂解等一系列问题均会对陀螺的精度造成影响，导致该种模式下的陀螺精度已经达到技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其能够有效的提高控制陀螺的精度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，包括：
固体波动陀螺；
信号解调模块，与固体波动陀螺连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号并进行解调；
FPGA处理模块，包含相位跟踪回路，分别与固体波动陀螺以及信号解调模块连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号，至信号解调模块进行解调；该FPGA处理模块还包含并联连接的x回路、y回路、正交回路、调频回路，均与信号解调模块连接，四个回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号，以及x回路信号与y回路信号的频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
信号调制模块，分别与x回路、y回路、正交回路、调频回路以及固体波动陀螺连接，接收四个回路输出的控制后的信号并进行调制，一路调制为角速度目标信号输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺。
较佳地，所述x回路、y回路、正交回路、调频回路、相位跟踪回路均集成设置在一个FPGA芯片内。
较佳地，所述x回路接收x回路信号，并控制所述x回路信号的幅度；所述y回路接收y回路信号，并控制所述y回路信号的幅度。
较佳地，所述正交回路接收x回路信号与y回路信号的相位差信号，并控制所述x回路信号和y回路信号的相位相同。
较佳地，所述调频回路接收x回路信号与y回路信号的频率差信号，并控制所述x回路信号和y回路信号的频率相同。
较佳地，所述相位跟踪回路还与信号调制模块连接，该相位跟踪回路对x回路信号与y回路信号进行解调输出至信号调制模块转换为高频信号。
本发明还提供一种振动陀螺零位自校准方法的控制电路系统的自校准方法，该方法包含如下步骤：
S1：由外部命令进行上电复位；
S2：固体波动陀螺分两路输出x回路信号与y回路信号，一路输出至信号解调模块；另一路输出至FPGA处理模块中的相位跟踪回路；
S3：信号解调模块接收x回路信号与y回路信号并进行解调；
相位跟踪回路接收x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号，以及x回路信号与y回路信号的频率差信号至信号解调模块进行解调；
S4：在FPGA处理模块中，x回路、y回路、正交回路、调频回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
S5：信号调制模块接收x回路、y回路、正交回路、调频回路分别输出的控制后的信号并进行调制，一路调制为角速度目标信号后输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺；
S6：所述固体波动陀螺根据反馈输出信号改变角速度输出。
较佳地，所述x回路控制所述x回路信号的幅度；所述y回路控制所述y回路信号的幅度。
较佳地，所述正交回路控制所述x回路信号和y回路信号的相位差信号，使其相位相同。
较佳地，所述调频回路控制所述x回路信号和y回路信号的频率差信号，使其频率相同。
本发明取得如下有益效果：
本发明由谐振式固体波动陀螺、五个控制回路以及信号解调模块和信号调制模块组成，实现对陀螺仪的零位自校准。该五环路控制系统分别为x回路、y回路、正交回路、相位跟踪回路和调频回路。本发明通过信号处理获得谐振式固体波动陀螺的模态输出并进行解调，随后将解调后的目标信号送入各个回路进行目标控制，根据控制力的大小可直接表现陀螺的角度输出。利用该零位自校准控制电路系统可以大幅降低系统的零位误差，提高系统的标度因数。
附图说明
图1为本发明的基于振动陀螺的零位自校准控制电路系统的示意图。
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。
当没有外界角速度输入的情况下，陀螺的角速度输出应该是零，但由于加工误差、干扰等一系列因素都会导致陀螺输出并不是零，这就是陀螺的零位。传统的控制方案是通过单一力的变化来反映陀螺的角速度输出，本发明通过x、y两个回路的控制力差来反映陀螺的角速度输出，类似于消除共模干扰，通过两回路的控制力相减来达到实时零位自校准。
如图1所示，一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，该系统包括：
固体波动陀螺；
信号解调模块，与固体波动陀螺连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号并进行解调；
FPGA处理模块，包含相位跟踪回路，分别与固体波动陀螺以及信号解调模块连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号至信号解调模块进行解调；该FPGA处理模块还包含并联连接的x回路、y回路、正交回路、调频回路，均与信号解调模块连接，四个回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
信号调制模块，分别与x回路、y回路、正交回路、调频回路以及固体波动陀螺连接，接收四个回路输出的控制后的信号并进行调制，一路调制为角速度目标信号输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺，该固体波动陀螺根据反馈输出信号改变角度输出，实现零位自校准。
所述固体波动陀螺、信号解调模块、FPGA处理模块、信号调制模块依次连接形成信号闭合回路。
其中，所述相位跟踪回路还与信号调制模块连接，该相位跟踪回路对x回路信号与y回路信号进行解调并转换为高频信号输出至信号调制模块。
本实施例中，所述FPGA处理模块采用型号为Xilinx Artix-7 XC7A50T FPGA的FPGA芯片实现，上述五个回路(x回路、y回路、正交回路、调频回路、相位跟踪回路)均集成在该FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)芯片内。
具体来说，所述固体波动陀螺输出的x回路信号和y回路信号为该固体波动陀螺的模态信号。
所述x回路接收x回路信号，并控制所述固体波动陀螺的x回路信号的幅度；所述y回路接收y回路信号，控制所述固体波动陀螺的y回路信号的幅度；通过数字控制方式控制两路信号的幅值(幅度的变化量大小)，使得x回路信号和y回路信号的幅值相等。
所述正交回路接收x回路信号与y回路信号的相位差信号，控制x回路信号和y回路信号的相位差，通过数字控制的方式保持x回路信号和y回路信号的相位相同。
所述调频回路接收x回路信号与y回路信号的频率差信号，控制x回路信号和y回路信号的频率差，通过数字控制的方式保持x回路信号和y回路信号的频率相同。
本系统的自校准模式的工作流程如下：
由外部命令进行上电复位；控制与固体波动陀螺连接的上位机(实时调试及观测所述固体波动陀螺的输出)，上位机发送命令对固体波动陀螺的X回路和Y回路进行扫频起振控幅；通过FPGA处理模块的其余三个回路(正交回路、相位跟踪回路、调频回路)的闭环控制实现陀螺在零位自校准模式下的正常工作。
本发明提供一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统的方法，该方法具体包含如下步骤：
S1：由外部命令进行上电复位；
S2：固体波动陀螺分两路输出x回路信号与y回路信号，一路输出至信号解调模块；另一路输出至FPGA处理模块中的相位跟踪回路；
S3：信号解调模块接收x回路信号与y回路信号并进行解调；
相位跟踪回路接收x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号和x回路信号与y回路信号的频率差信号，至信号解调模块进行解调；
S4：在FPGA处理模块中，x回路、y回路、正交回路、调频回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
S5：信号调制模块接收x回路、y回路、正交回路、调频回路分别输出的控制后的信号并进行调制，一路调制为角速度目标信号后输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺；
S6：所述固体波动陀螺根据反馈输出信号改变角速度输出。
其中，所述x回路控制所述x回路信号的幅度；所述y回路控制所述y回路信号的幅度；所述正交回路控制所述x回路信号和y回路信号的相位差信号，使其相位相同；所述调频回路控制所述x回路信号和y回路信号的频率差信号，使其频率相同。
本发明中，根据x回路和y回路的信号实现零位闭环校准及角速度输出。在自校准模式下通过x回路和y回路的控制力做差来反映系统的角速度输出，在外界没有角速度输入的情况下，x回路和y回路控制力的值大小相同，通过二者相减使陀螺此时输出为零，即达到了零位自校准。
综上所述，本发明由谐振式固体波动陀螺、五个控制回路以及信号解调模块和信号调制模块组成，实现对陀螺仪的零位自校准。该五环路控制系统分别为x回路、y回路、正交回路、相位跟踪回路和调频回路。本发明通过信号处理获得谐振式固体波动陀螺的模态输出并进行解调，随后将解调后的目标信号送入各个回路进行目标控制，根据控制力的大小可直接表现陀螺的角度输出；本发明在自校准模式下通过X回路和Y回路的控制力做差来反映系统的角速度输出，在外界没有角速度输入的情况下，X回路和Y回路控制力的值大小相同，通过二者相减使固体波动陀螺此时输出为零，即达到了零位自校准。本发明利用该零位自校准控制电路系统可以大幅降低系统的零位误差，提高系统的标度因数。
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 (10)

1.一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，包括：
固体波动陀螺；
信号解调模块，与固体波动陀螺连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号并进行解调；
FPGA处理模块，包含相位跟踪回路，分别与固体波动陀螺以及信号解调模块连接，接收固体波动陀螺输出的x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号，至信号解调模块进行解调；该FPGA处理模块还包含并联连接的x回路、y回路、正交回路、调频回路，均与信号解调模块连接，四个回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号，以及x回路信号与y回路信号的频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
信号调制模块，分别与x回路、y回路、正交回路、调频回路以及固体波动陀螺连接，接收四个回路输出的控制后的信号并进行调制，一路为角速度目标信号输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺；
所述固体波动陀螺输出的x回路信号和y回路信号为该固体波动陀螺的模态信号。
2.如权利要求1所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，所述x回路、y回路、正交回路、调频回路、相位跟踪回路均集成设置在一个FPGA芯片内。
3.如权利要求1所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，所述x回路接收x回路信号，并控制所述x回路信号的幅度；所述y回路接收y回路信号，并控制所述y回路信号的幅度。
4.如权利要求1所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，所述正交回路接收x回路信号与y回路信号的相位差信号，并控制所述x回路信号和y回路信号的相位相同。
5.如权利要求1所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，所述调频回路接收x回路信号与y回路信号的频率差信号，并控制所述x回路信号和y回路信号的频率相同。
6.如权利要求1所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统，其特征在于，所述相位跟踪回路还与信号调制模块连接，该相位跟踪回路对x回路信号与y回路信号进行解调输出至信号调制模块转换为高频信号。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统的自校准方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1：由外部命令进行上电复位；
S2：固体波动陀螺分两路输出x回路信号与y回路信号，x回路信号与y回路信号输出至信号解调模块；x回路信号与y回路信号输出至FPGA处理模块中的相位跟踪回路；
S3：信号解调模块接收x回路信号与y回路信号并进行解调；
相位跟踪回路接收x回路信号与y回路信号，并输出x回路信号与y回路信号的相位差信号，以及x回路信号与y回路信号的频率差信号至信号解调模块进行解调；
S4：在FPGA处理模块中，x回路、y回路、正交回路、调频回路分别对接收到的解调后的x回路信号、y回路信号、x回路信号与y回路信号的相位差信号和频率差信号进行目标控制并输出控制后的信号；
S5：信号调制模块接收x回路、y回路、正交回路、调频回路分别输出的控制后的信号并进行调制，一路为角速度目标信号输出至外部系统，另一路反馈输出至固体波动陀螺；
S6：所述固体波动陀螺根据反馈输出信号改变角速度输出。
8.如权利要求7所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统的自校准方法，其特征在于，所述x回路控制所述x回路信号的幅度；所述y回路控制所述y回路信号的幅度。
9.如权利要求7所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统的自校准方法，其特征在于，所述正交回路控制所述x回路信号和y回路信号的相位差信号，使其相位相同。
10.如权利要求7所述的基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统的自校准方法，其特征在于，所述调频回路控制所述x回路信号和y回路信号的频率差信号，使其频率相同。
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