CN111521171A - 一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法 - Google Patents

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张贵研
张勇刚
南方伯
徐睿东
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Abstract

本发明提供一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法，根据振动陀螺特性可知，检测电极输出信号是由正弦波和余弦波组合而成，将振动陀螺检测电极输出的X、Y信号分别与DDS信号发生器产生的sin(ωt)和cos(ωt)信号相乘获得cx、cy、sx、sy信号，产生的信号包含有二倍频信号和差频信号，二倍频信号会影响解算的结果。因此，需要先通过低通滤波器将一部分高频信号过滤掉，配合自适应陷波器来达到控制振动陀螺起振工作的目的。然后经过自适应陷波器将二倍频信号进行衰减，仅留下差频信号用于解算。解算后，获得陀螺的振动相位差值并经过PI控制单元，使其振动频率更快的达到期望值，并将振动频率f反馈给自适应陷波器和DDS信号发生器，从而实现自适应功能。

Description

一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法
技术领域
本发明涉及一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法，尤其适用于振动陀螺控制系统，属于电子技术领域。
背景技术
振动陀螺解调后的信号通常包含差频信号和二倍频信号。二倍频信号的存在会导致角度信号
Figure BDA0002443794520000012
幅度信号E、正交信号Q、相位误差信号
Figure BDA0002443794520000011
的解算出现错误，因此需要将二倍频信号过滤掉，只留下对解算有用的差频信号。
一个理想的滤波器，应该是对于通带部分增益为1且无相位延迟，阻带部分增益为0。现在大部分振动陀螺使用的是无限长单位冲激响应(IIR)或有限长单位冲激响应(FIR)低通滤波器，但是低通滤波器对通带部分都会存在相位延迟。
自适应陷波器原理是通过锁相环获得需要被过滤掉信号的频率。陷波器可以自适应的跟踪并且过滤锁相环反馈频率的信号，同时保证通带部分增益为1且无相位延迟，阻带的衰减倍数很大。可以提高解算精度，降低程序复杂度。
对比现有的低通滤波器，自适应陷波器可以根据锁相环得到的振动频率实现自适应滤波。对于二倍频，自适应陷波器可以很大幅度的将其衰减而且自身需要的阶次低。而其它滤波器要想达到相同的滤波效果需要更高的阶次，这样程序就会相对复杂。因此自适应陷波器具有较好的滤波效果，同时运算资源占用较低。
现有的滤波器不足：
1、对二倍频的滤波效果不理想，对解算的精度有影响。
2、会导致通带部分相位延迟，增加解算难度和精度。
3、占用资源多，影响程序运行。
发明内容
本发明是为了更好的过滤掉振动陀螺产生的二倍频信号而提供一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法，可以在不改变原信号差频增益的条件下，跟踪二倍频信号，并将其进行过滤，从而提高解算精度。
本发明的目的是这样实现的：包括信号解调单元、低通滤波器、自适应陷波器、解算单元、PI控制单元、DDS信号发生器，步骤如下：
步骤一：通过信号解调单元将振动陀螺检测电极输出的X、Y信号分别与DDS信号发生器产生的sin(ωt)和cos(ωt)信号相乘获得cx、cy、sx、sy信号；
步骤二：通过低通滤波器过滤掉一部分高频信号；
步骤三：经过自适应陷波器将二倍频信号进行衰减，留下差频信号用于解算；
步骤四：解算单元进行解算；
步骤五：解算后，获得陀螺的振动相位差值并经过PI控制单元，使其振动频率达到期望值，并将振动频率f反馈给自适应陷波器和DDS信号发生器，实现自适应功能。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.自适应陷波器的传递函数：
Figure BDA0002443794520000021
2ω的计算公式为:
Figure BDA0002443794520000022
其中f为期望过滤掉的频率，fs为采样频率，将锁相环实时输出的频率f代入，实现自适应陷波的功能；调节参数β(0<β<1)实现对陷波器带宽的控制，选取参数K使通带部分无衰减；
将传递函数转换为差分方程：
Y(k)＝KX(k)-2Kcos(2ω)X(k-1)+KX(k-2)+2βcos(2ω)Y(k-1)-β2Y(k-2)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、实现自适应，根据锁相环输出的频率，实时过滤与之相匹配的二倍频信号。
2、只过滤二倍频信号，而对通带部分无影响，因此信号解算精度更高。
3、用IIR滤波器原理实现自适应滤波器，开发周期短，易于调试。
附图说明
图1为本发明一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法控制电路框图。
图2为本发明一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法的滤波效果图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明包含有振动陀螺的检测电极输出信号、信号解调需要的信号、信号解调单元、低通滤波器、自适应陷波器、解算单元、PI控制单元和DDS信号发生器。
图1为一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法控制电路框图。X、Y为振动陀螺的检测电极输出信号，sin(ωt)和cos(ωt)为DDS信号发生器产生的信号解调所需信号，cx、cy、sx、sy为信号解调后的信号。1为信号解调单元，2为低通滤波器，3为自适应陷波器，4为解算单元，5为PI控制单元,6为DDS信号发生器。
根据振动陀螺特性可知，检测电极输出信号是由正弦波和余弦波组合而成，将振动陀螺检测电极输出的X、Y信号分别与DDS产生的sin(ωt)和cos(ωt)相乘获得信号cx、cy、sx、sy，产生的信号包含有二倍频信号和差频信号，二倍频信号会影响解算结果，仅需要差频信号用来计算。因此，需要先通过低通滤波器将一部分高频信号过滤掉，配合自适应陷波器来达到控制振动陀螺起振工作的目的。然后经过自适应陷波器过滤掉二倍频信号，仅留下差频信号用于解算。解算后，获得陀螺的振动相位差值并经过PI控制单元，使其振动频率更快的达到期望值，并将振动频率f反馈给自适应陷波器和DDS信号发生器，从而实现自适应功能。
自适应陷波器传递函数：
Figure BDA0002443794520000031
2ω的计算公式为:
Figure BDA0002443794520000032
其中f为期望过滤掉的频率，fs为采样频率。将锁相环实时输出的频率f代入，便可以实现自适应陷波的功能。通过调节参数β(0<β<1)可以实现对陷波器带宽的控制。选取适当的参数K使通带部分无衰减。为了确保传递函数的正确，我们一般通过Matlab来进行仿真，以获得较为准确的参数。
为了在FPGA中实现该功能，需要将传递函数转换为差分方程：
Y(k)＝KX(k)-2Kcos(2ω)X(k-1)+KX(k-2)+2βcos(2ω)Y(k-1)-β2Y(k-2)
IIR滤波器具有良好的滤波效果，而且所需阶数也低于FIR滤波器。因此，基于IIR滤波器原理设计本自适应陷波器更加简洁高效。
图2为一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法的滤波效果图。设置陷波器的陷波频率为9kHz，参数K设置为2，参数β设置为0.5，采样频率fs设置为125kHz，根据公式
Figure BDA0002443794520000033
可以得到2ω等于0.45。将上面的参数代入传递函数可得
Figure BDA0002443794520000034
绘制伯德图。通过伯德图可知本自适应陷波器对于2f处的衰减倍数很大，可以很好的将二倍频信号过滤掉，通带部分无衰减，而且不改变相位。

Claims (2)

1.一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法，其特征在于：包括信号解调单元、低通滤波器、自适应陷波器、解算单元、PI控制单元、DDS信号发生器，步骤如下：
步骤一：通过信号解调单元将振动陀螺检测电极输出的X、Y信号分别与DDS信号发生器产生的sin(ωt)和cos(ωt)信号相乘获得cx、cy、sx、sy信号；
步骤二：通过低通滤波器过滤掉一部分高频信号；
步骤三：经过自适应陷波器将二倍频信号进行衰减，留下差频信号用于解算；
步骤四：解算单元进行解算；
步骤五：解算后，获得陀螺的振动相位差值并经过PI控制单元，使其振动频率达到期望值，并将振动频率f反馈给自适应陷波器和DDS信号发生器，实现自适应功能。
2.根据权利要求1所述的一种用于振动陀螺信号解算的自适应陷波方法，其特征在于：自适应陷波器的传递函数：
Figure FDA0002443794510000011
2ω的计算公式为:
Figure FDA0002443794510000012
其中f为期望过滤掉的频率，fs为采样频率，将锁相环实时输出的频率f代入，实现自适应陷波的功能；调节参数β(0<β<1)实现对陷波器带宽的控制，选取参数K使通带部分无衰减；
将传递函数转换为差分方程：
Y(k)＝KX(k)-2K cos(2ω)X(k-1)+KX(k-2)+2β cos(2ω)Y(k-1)-β2 Y(k-2)。
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