CN111536993B - 一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统，通过输入已知规律的角速度，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小辨识出驱动电极未对准角度误差，建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；同理实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿；基于辨识结果与反馈力信号实现了驱动控制回路与检测控制回路的解耦，提升了振动陀螺的稳定性与标度因数非线性度等指标，操作简单。

Description

一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，特别是涉及一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。传统的陀螺仪包括机械转子陀螺、静电陀螺、半球谐振陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、动力调谐陀螺等，它们虽然精度高，但体积、功耗、价格等方面难以满足要求。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有体积小、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。但与传统陀螺仪相比，目前MEMS陀螺仪的精度还不够高，应用主要局限于智能手机、微型无人机、汽车稳定控制、微惯性/卫星组合导航系统等传统领域。卫星导航抗干扰抗欺骗、室内导航、微小型水下无人平台、单兵定位、地下随钻定向系统等新兴领域对高性能、小体积、低功耗、低成本微陀螺仪提出了迫切需求。

嵌套环式MEMS振动陀螺是全世界首个达到导航级精度的硅微陀螺，性能与激光陀螺和光纤陀螺相当，并且其沿用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面具有极大的优势。嵌套环式MEMS振动陀螺是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，其充分利用了结构面积，显著增大了惯性质量、电极数量和品质因数，使其具有很高的灵敏度和精度潜力。嵌套环式MEMS振动陀螺理论上是一种全对称结构的微陀螺，但由于加工误差等因素的影响，使得陀螺的对称性不可避免的存在缺陷，其中电极不对称就是上述缺陷的一种。如图3所示，图中给出了电极不对称的示意图。从图中可知，由于电极不对称误差，电极中心偏离理想轴线(即定义的x轴)，因此施加在电极上的力也是偏离理想方向的，如图4所示。理想情况下，驱动轴与检测轴方向的力是正交的，但是当存在电极未对准角度误差时，驱动控制回路与检测控制回路的反馈力会发生耦合，影响振动陀螺性能。

美国波音公司在专利[Yong Liu,Anthony Dorian Challoner.Electronic BiasCompensation for a Gyroscope[P].European Patent:2615416 A2,2013.]中提出了一种估计电极角度未对准误差的方法，但该方法需要陀螺分别测试三个不同振型方向工作状态下的零偏数据，工作过程复杂，对控制系统要求较高。因此，有必要设计一种操作简单、无需更改陀螺工作模式的振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种基于给定输入角速度激励的振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统，通过输入已知规律的角速度，根据驱动反馈力和同相反馈力信号的响应辨识电极未对准角度误差，并基于辨识结果实现耦合信号的消除。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，所述方法包括：

输入已知规律的角速度并在所述角速度的激励下提取陀螺系统中驱动反馈力和同相反馈力分别产生的同规律响应大小，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差；

根据所述的检测电极未对准角度误差辨识结果，得到检测电极未对准角度误差的大小，并测得所述检测电极未对准角度误差补偿前后的标度因数，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小，辨识出驱动电极未对准角度误差；

建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，以角速度、驱动反馈力幅值和同相反馈力幅值作为所述补偿系统的输入，以驱动反馈力幅值对角速度激励的响应作为所述补偿系统的控制量，以驱动反馈力补偿系数和同相反馈力补偿系数作为所述补偿系统的输出；

将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；将所述检测反馈力与所述检测反馈力补偿系数的乘积叠加在所述驱动反馈力上，实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿。

进一步的，当存在角速度激励时，驱动反馈力幅值、同相反馈力幅值、输入的角速度、检测电极未对准角度误差以及驱动电极未对准角度误差之间存在如下等式关系：

式中，a为检测电极未对准角度误差，b为驱动电极未对准角度误差，Ω为角速度输入，f₁为驱动反馈力幅值，P为同相反馈力幅值，SF₀为消除检测电极未对准角度误差a后测得的标度因数；

求解上述等式后获得辨识检测电极未对准角度误差和驱动电极未对准角度误差的理论表达式分别为：

式中，SF为补偿后新的标度因数。

进一步的，所述方法还包括利用与角速度同特征的基准信号对所述驱动反馈力进行解调并将解调后的解调结果作为误差控制信号，结合所述电极角度误差闭环补偿系统控制器输出用于检测电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述检测电极未对准角度误差的闭环补偿。

进一步的，所述方法还包括根据所述电极角度误差闭环补偿系统控制器的输出结果，结合当前角速度输入、同相反馈力幅值输出用于驱动电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述驱动电极未对准角度误差的闭环补偿。

本发明还提供一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿系统，所述系统包括相互连接和通讯的陀螺系统、上位机系统、检测电极角度误差控制系统以及控制系统；其中，

陀螺系统，包括用于敏感角速度的谐振子系统以及用于模态激励、信号检测和模态匹配的控制电路系统；

上位机系统，包括用于进行系统补偿分析的补偿系统、用于获取控制参数的控制参数模块以及用于实时观察系统信号的监控模块；

检测电极角度误差控制系统，包括用于输入驱动信号幅值和解调基准信号的解调模块、用于对解调结果进行处理的滤波器以及用于对角度误差信号进行处理的控制器；利用与角速度同特征的基准信号对驱动反馈力进行解调并将解调结果作为误差控制信号结合所述控制器输出的检测电极未对准角度误差补偿增益系数进行检测电极未对准角度误差的闭环补偿；

驱动电极角度误差控制系统，包括用于计算的计算模块，根据所述电极角度误差闭环补偿系统控制器的输出结果，结合当前角速度输入与同相反馈力幅值，在所述计算模块中进行当前驱动电极未对准误差角度的估计，得到当前驱动电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述驱动电极未对准角度误差的闭环补偿。

进一步的，所述谐振子系统包括相互连接和通讯的等效质量系统、等效弹簧系统以及参考系系统；其中，

等效质量系统，至少包括相互固定连接的柔性框架和锚点；

等效弹簧系统，至少包括与振动陀螺简并模态对应的第一模态等效弹簧系和第二模态等效弹簧系；

参考系系统，至少包括驱动电极轴向、理想驱动轴向、理想检测轴向、检测电极轴向、振型修调轴向以及频率修调轴向。

进一步的，所述控制电路系统包括相互连接和通讯的驱动控制单元、检测控制单元和频差控制单元；其中，

驱动控制单元，包括幅值控制模块和PLL模块，所述幅值控制模块输出的幅值控制信号经所述PLL模块输出信号调制后生成驱动控制信号；

检测控制单元，输出同相控制信号用于力平衡反馈控制以及在振型修调轴向输出正交控制信号用于振型修调；

频差控制单元，输出调频电压信号用于频率修调；

所述检测控制单元和频差控制单元协作实现模态匹配；所述谐振子系统的检测轴输出信号经所述PLL模块输出信号解调并在所述检测控制单元的控制下分别生成同相控制信号和正交控制信号。

进一步的，所述柔性框架包括嵌套环、轮辐状支撑梁以及多个电极；其中，

所述多个电极用于所述陀螺系统的激励、检测与修调，包括最外环的驱动和检测电极、次外环的调频电极以及最内环的调轴电极。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

本发明提供的振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统通过输入已知规律的角速度，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差，再根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小辨识出驱动电极未对准角度误差，建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，最后将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；将所述检测反馈力与所述检测反馈力补偿系数的乘积叠加在所述驱动反馈力上，实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿；本发明基于辨识结果与反馈力信号实现了驱动控制回路与检测控制回路的解耦，进一步实现耦合信号的消除，提升了振动陀螺的稳定性与标度因数非线性度等指标，操作简单，无需更改振动陀螺的工作模式。

附图说明

图1为本发明所述振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法的流程图；

图2为本发明所述振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿系统的结构框图；

图3为本发明所述谐振子系统的结构示意图和电极未对准角度误差示意图；

图4为一个实施例中电极未对准角度误差导致的反馈力耦合示意图；

图5为一个实施例中电极未对准角度误差的辨识与补偿系统控制框图；

图6为一个实施例中闭环回路中电极未对准角度误差辨识模块的结构框图；

图7为一个实施例中振动陀螺简并模态陀螺谐振子的第一模态示意图；

图8为一个实施例中振动陀螺简并模态陀螺谐振子的第二模态示意图；

图9为另一个实施例中所述振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，通过输入已知规律的角速度，根据驱动反馈力信号的响应辨识检测电极未对准角度误差，并基于辨识结果与检测反馈力信号实现耦合信号的消除，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一，在不改变振动陀螺检测控制回路原有的力平衡控制以及刚性轴闭环控制的情况下，输入已知规律的角速度并在所述角速度的激励下提取陀螺系统中驱动反馈力和同相反馈力分别产生的同规律响应大小，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差；当输入已知规律的角速度时，同相回路PID输出、驱动信号幅值、已知角速度以及未对准角度误差之间存在一定等式关系(如方程10)，当未对准角度误差被彻底补偿时，陀螺驱动信号幅值不受角速度影响；利用同相回路PID输出和驱动信号幅值随角速度的同规律变化可以辨识出检测电极未对准角度误差(如方程11)。

步骤二，根据所述的检测电极未对准角度误差辨识结果，得到检测电极未对准角度误差的大小，并测得所述检测电极未对准角度误差补偿前后的标度因数，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小，辨识出驱动电极未对准角度误差；当辨识出检测电极未对准角度误差时，利用补偿检测电极未对准角度误差前后标度因数的变化，可以辨识出驱动电极未对准角度误差(如方程11)。

步骤三，建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，以角速度、驱动反馈力幅值和同相反馈力幅值作为所述补偿系统的输入，以驱动反馈力幅值对角速度激励的响应作为所述补偿系统的控制量，以驱动反馈力补偿系数和同相反馈力补偿系数作为所述补偿系统的输出。

步骤四，将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；将所述检测反馈力与所述检测反馈力补偿系数的乘积叠加在所述驱动反馈力上，实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿。

本实施例辨识结果与反馈力信号实现了驱动控制回路与检测控制回路的解耦，进一步实现耦合信号的消除，提升了振动陀螺的稳定性与标度因数非线性度等指标，操作简单，无需更改振动陀螺的工作模式。

在一个实施例中，如图2所示的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿系统，所述系统包括相互连接和通讯的陀螺系统1、上位机系统30、检测电极角度误差控制系统以及驱动电极角度误差控制系统；其中，

所述陀螺系统1包括谐振子系统2与控制电路系统22，谐振子系统2用于敏感角速度，所述控制电路系统22用于结构模态激励、微弱信号检测以及模态匹配等；所述控制电路系统22包括驱动控制单元23、检测控制单元25和频差控制单元28；

所述上位机系统30包括用于进行系统补偿分析的补偿系统31、用于获取控制参数的控制参数模块35、检测实际输出37的陀螺模型36以及用于实时观察系统信号的监控模块40，所述系统信号可以为零偏、频率、驱动力等；

所述检测电极角度误差控制系统包括用于输入驱动信号幅值57和解调基准信号59的解调模块60、用于对解调结果进行处理的滤波器以及用于对角度误差信号61进行处理的控制器63，当驱动信号幅值57中与角速度同规律的分量在控制器63的作用下抑制为0时，闭环控制达到稳态；利用与角速度同特征的基准信号对驱动反馈力进行解调并将解调结果作为误差控制信号结合所述控制器63输出的检测电极未对准角度误差补偿增益系数进行检测电极未对准角度误差66的闭环补偿；所述控制系统基于当前检测电极未对准角度误差以及振动陀螺输入输出的驱动电极未对准角度误差，用于根据所述检测电极角度误差控制系统获取的当前检测电极未对准角度误差66、角速度输入54和反馈力信号幅值58并汇集到计算模块65中，利用方程11进行当前的驱动电极未对准角度误差67估计。

所述驱动电极角度误差控制系统包括用于计算的计算模块65，根据所述电极角度误差闭环补偿系统控制器的输出结果，在所述计算模块65中进行当前驱动电极未对准角度误差67的估计，得到当前驱动电极未对准角度误差66补偿的增益系数，结合当前角速度输入54与同相反馈力幅值58并汇集到计算模块65中，利用方程11进行当前的驱动电极未对准角度误差67估计，实现所述驱动电极未对准角度误差67的闭环补偿。

在其中一个实施例中，所述谐振子系统2包括等效质量系统3、等效弹簧系统9以及参考系系统21；其中，所述等效质量系统3的主要组成部分是柔性框架4和锚点5，同时为了增加等效质量、降低频率、提升Q值等目的，会在系统结构中添加一定数量的质量块6；所述等效弹簧系统9包括第一模态等效弹簧系10、第二模态等效弹簧系11以及修调等效弹簧体系12，其中所述第一模态等效弹簧系10对应振动陀螺简并模态的第一模态，第二模态等效弹簧系11对应振动陀螺简并模态的第二模态；在所述修调等效弹簧体系12内实现调轴13和调频14；所述参考系系统21包括驱动电极轴向16、理想驱动轴向15、理想检测轴向17、检测电极轴向18、振型修调轴向19以及频率修调轴向20，其中所述驱动电极轴向16是实际驱动信号施加方向，该方向与理想驱动轴向15之间存在角度偏差即驱动电极未对准角度误差67，同样的检测电极轴向18与理想检测轴向17之间存在角度偏差即检测电极未对准角度误差66。

本实施例的具体使用过程是：所述上位机系统30的控制参数模块35输出自适应控制参数38或人为设定的参数39，所述控制电路系统22依据接收的参数生成驱动控制信号24，所述驱动控制信号24施加于驱动电极轴向16，激励谐振子系统2的驱动模态振动。利用所述谐振子系统2的输出信号，所述检测控制单元25输出同相控制信号26用于力平衡反馈控制以及在振型修调轴向19输出正交控制信号27用于振型修调即调轴13；同时频差控制单元28生成的调频电压信号29用于频率修调即调频14，两者协作共同在谐振子工作频率7中实现模态匹配8。此外，输入已知规律的角速度时，所述补偿系统31辨识并补偿系统相位误差32与电极角度误差33，根据振动陀螺零偏以及频率参数随温度的变化还可以进行温度补偿34。

如图3的左边展示了嵌套环式MEMS振动陀螺的拓扑结构，所述柔性框架4通过锚点5与基底牢固锚接，所述柔性框架4主要包括嵌套环41、轮辐状支撑梁42以及多个电极；所述多个电极用于陀螺结构的激励、检测与修调，图3中最外环的为驱动和检测电极43、次外环的为调频电极44、最内环的为调轴电极45。

在一个实施例中，所述驱动和检测电极43在0°与90°轴向电极用于驱动模态控制、在45°与135°轴向电极用于检测模态控制；所述调频电极44施加调频电压信号29后用于频率修调；所述调轴电极45施加正交控制信号27后用于振型修调。图3的右边展示了电极未对准角度误差46的细节图，图中X轴为理想驱动轴向15，Y轴与理想检测轴向17重合。

下面针对电极未对准角度误差对振动陀螺的影响进行分析。根据文献[Lynch,D.,“Vibratory Gyro Analysis by the Method of Averaging,”Proc.2nd St.PetersburgConf.on Gyroscopic Technology and Navigation,St.Petersburg,Russia,May 24-25,1995,pp.26-34.]，振动陀螺的动态方程可以表示为：

由于电极未对准角度误差使得振动陀螺的检测控制回路和驱动控制回路的反馈力之间发生耦合，而该角度误差通常较小，此时上式可变为：

其中，

k₁₂＝ωΔωsin2θ_ω，

式中，A_g为角速度增益，Ω为角速度输入，τ₁、τ₂分别为谐振结构在两个阻尼轴上的时间常数，ω₁、ω₂分别为两个刚性轴的固有频率，θ_ω、θ_τ分别为刚度轴偏角和阻尼轴偏角，a为检测电极未对准角度误差，b为驱动电极未对准角度误差，Ω为角速度输入，x为驱动位移、y为检测位移。

在所述检测电极角度误差控制系统的控制下，振动陀螺的驱动位移是固定的，假设驱动位移信号为：

x＝A cos(ω₀t) (2)

式中，ω₀为工作效率，t为时间，A为驱动位移幅值，此时检测反馈力信号和驱动反馈力信号分别表示为：

f_x＝f₁sin(ω₀t+β)

f_y＝Psin(ω₀t+α) (3)

式中，α、β分别为检测控制回路和驱动控制回路偏离谐振状态的相位误差，f₁为驱动反馈力幅值，P为同相反馈力幅值；其中，所述检测控制回路包括力平衡闭环与调轴闭环；在所述检测电极角度误差控制系统的控制下，解调得到的正交信号和同相信号都将抑制至0，结合方程(1)和(3)，可以得到解调结果：

P cosα+bf₁cosβ+(c₁₂+2A_gΩ)Aω₀＝0 (4)

检测闭环的存在使得检测轴的位移始终为0，因此式(1)即振动陀螺的动态方程可以简化为：

式中，τ_x为重复性较差、偏移较严重的变量；

联立方程(2)、(5)可以得到：

经补偿后，检测控制回路和驱动控制回路偏离谐振状态的相位误差修调至0，即：

α＝β＝0 (7)

当外界输入角速度时，通过振动陀螺输出的同相控制信号幅值P计算得到角速度大小；依据方程(4)和(6)，可以得到P的时测值：

则振动陀螺零偏的表达式为：

从式(8)可以看出：电极未对准角度误差的存在，使得检测轴电极输出中增加了新的误差项e_c，且该误差项包含了重复性较差、漂移较严重的变量τ_x，会使得标度因数估计值的非线性度和重复性变差；从式(9)可以看出：检测电极未对准角度会对零偏的大小有影响，对于高Q值的陀螺而言，消除电极角度误差可以使得零偏更接近0。

针对方程(4)、(6)，基于方程(7)的结果，可以得到：

式中，SF₀为消除检测电极未对准角度误差a后测得的标度因数；

通过上述方程组，可以得到辨识电极未对准角度的方法。由式(10)中的第一个方程可知，在已知角速度输入时，利用同相控制信号幅值P与为驱动反馈力幅值f₁可以解算得到检测电极未对准角度误差a，在该角度误差为0时，同相控制信号幅值P不再受外界角速度影响，即实现驱动控制回路与检测控制回路的解耦；由式(10)中的第二个方程可知，当检测电极未对准角度误差a辨识得到后，利用消除所述检测电极未对准角度误差a后测得的标度因数SF₀可以估计驱动电极未对准角度误差b的大小；

根据上述分析，可得到驱动电极未对准角度误差估计和检测电极未对准角度误差的误差估计表达式分别为：

由式(11)可知，在解算驱动电极未对准角度误差估计和检测电极未对准角度误差的估计值后，根据反馈力电压信号转化反馈力的增益系数可以计算得到驱动反馈力与检测反馈力的补偿系数G1、G2，将计算得到的系数进行信号叠加，消除耦合力的大小。

电极未对准角度误差补偿具体方案如图5所示，驱动控制单元23包括幅值控制模块和PLL模块50，所述幅值控制模块输出的幅值控制信号经所述PLL模块50输出信号调制后生成驱动控制信号24，所述驱动控制信号24激励所述谐振子系统2的驱动模态并将所述驱动模态的振动幅值稳定在期望值处；所述谐振子系统2的检测轴输出信号经所述PLL模块50输出信号解调后得到同相信号与正交信号，所述同相信号与正交信号在所述检测控制单元25的控制下生成同相控制信号26和正交控制信号27。所述同相控制信号26用于力平衡模式，所述正交控制信号27施加于调轴电极45上。电极未对准角度辨识模块51以前文的理论分析为基础，利用输入的已知角速度信号54、驱动信号幅值57以及同相反馈力幅值58可以估计驱动电极未对准角度误差补偿系数52和检测电极未对准角度误差补偿系数53的大小，基于估计的结果可以进一步计算得到补偿的增益系数G₁、G₂，对驱动控制信号24和同相控制信号26进行补偿信号叠加即可消除电极未对准角度误差的影响。

电极未对准角度误差辨识模块的具体框图如图6所示，解调模块60中的基准信号59是与输入的角速度信号54同频同相同特征的标准信号，该信号对驱动信号幅值57进行解调，可以得到驱动信号幅值中与角速度输入同特征分量的大小，并以该信号作为检测电极角度误差控制系统的误差控制信号61。其与设定基准62(一般为0)做差后的结果在控制器63的作用下，最终输出检测电极未对准角度误差66，该值在经过回路增益系数64后，得到第一补偿系数55；利用当前同相反馈力幅值58和角速度信号得到当前标度因数，根据方程11，结合控制器63输出的当前检测电极未对准角度误差，可以得到对应的驱动电极未对准角度误差，经过回路增益68后，得到第二补偿系数56。

以下以嵌套环式MEMS振动陀螺为具体实施例对本实施例进行更清楚的说明。嵌套环式MEMS振动陀螺是一种典型的工作在简并模态的微振动陀螺，即其谐振子的驱动模态与检测模态一样。多电极嵌套环式MEMS振动陀螺的工作原理为：通过静电力驱动方式，以特定的频率激励出谐振子如图7所示的第一模态，其第一模态为环向波数为2的驻波，其中波腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角速度输入时，谐振子在哥氏力的作用下产生如图8所示的另一固有刚性轴系的第二模态，谐振子第二模态的振动通过电容检测方式，转换成敏感电信号，该敏感电信号与角速度输入成正比，经过滤波及放大等处理即可得到角速度输入信息。通过消除MEMS振动陀螺的电极未对准角度误差，实现了驱动控制回路与检测控制回路的解耦，提升了振动陀螺稳定性与标度因数非线性度等指标。该方法不仅适用于嵌套环式MEMS振动陀螺，也同样适用与其他类似控制方式的全对称陀螺。

在另一个实施例中，一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，电极未对准角度误差的补偿过程采取开环手动补偿的方式，补偿的流程如图9所示。首先陀螺驱动控制回路与检测控制回路正常工作，然后施加已知角速度，提取驱动力反馈信号和力平衡信号的幅值变化，根据公式计算得到检测未对准角度误差a与标度因数SF，并以此计算第一补偿系数55和补偿后新的标度因数SF₀，依据辨识的角度a、计算的标度因数SF、SF₀，可以估计驱动电极未对准角度b的大小，计算第二补偿系数56，完成一个周期的补偿。判断此时未对准角度误差是否达到精度要求，如果没达到，则重复上述辨识与补偿过程，直至辨识结果小于精度要求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

输入已知规律的角速度并在所述角速度的激励下提取陀螺系统中驱动反馈力和同相反馈力分别产生的同规律响应大小，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差；

根据所述的检测电极未对准角度误差辨识结果，得到检测电极未对准角度误差的大小，并测得所述检测电极未对准角度误差补偿前后的标度因数，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小，辨识出驱动电极未对准角度误差；

建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，以角速度、驱动反馈力幅值和同相反馈力幅值作为所述补偿系统的输入，以驱动反馈力幅值对角速度激励的响应作为所述补偿系统的控制量，以驱动反馈力补偿系数和同相反馈力补偿系数作为所述补偿系统的输出；

将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；将检测反馈力与检测反馈力补偿系数的乘积叠加在所述驱动反馈力上，实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，其特征在于，当存在角速度激励时，驱动反馈力幅值、同相反馈力幅值、输入的角速度、检测电极未对准角度误差以及驱动电极未对准角度误差之间存在如下等式关系：

式中，a为检测电极未对准角度误差，b为驱动电极未对准角度误差，Ω为角速度输入，f₁为驱动反馈力幅值，P为同相反馈力幅值，SF₀为补偿后新的标度因数；

求解上述等式后获得辨识检测电极未对准角度误差和驱动电极未对准角度误差的理论表达式分别为：

式中，SF为补偿前的标度因数。

3.根据权利要求2所述的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，其特征在于，所述方法还包括利用与角速度同特征的基准信号对所述驱动反馈力进行解调并将解调后的解调结果作为误差控制信号，结合所述电极角度误差闭环补偿系统控制器输出用于检测电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述检测电极未对准角度误差的闭环补偿。

4.根据权利要求3所述的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述电极角度误差闭环补偿系统控制器的输出结果，结合当前角速度输入、同相反馈力幅值输出用于驱动电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述驱动电极未对准角度误差的闭环补偿。

5.一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

陀螺系统，包括用于敏感角速度的谐振子系统以及用于模态激励、信号检测和模态匹配的控制电路系统；

上位机系统，包括用于进行系统补偿分析的补偿系统、用于获取控制参数的控制参数模块以及用于实时观察系统信号的监控模块；

检测电极角度误差控制系统，包括用于输入驱动信号幅值和解调基准信号的解调模块、用于对解调结果进行处理的滤波器以及用于对角度误差信号进行处理的控制器；利用与角速度同特征的基准信号对驱动反馈力进行解调并将解调结果作为误差控制信号结合所述控制器输出的检测电极未对准角度误差补偿增益系数进行检测电极未对准角度误差的闭环补偿；

驱动电极角度误差控制系统，包括用于计算的计算模块，根据所述电极角度误差闭环补偿系统控制器的输出结果，结合当前角速度输入与同相反馈力幅值，在所述计算模块中进行当前驱动电极未对准误差角度的估计，得到当前驱动电极未对准角度误差补偿的增益系数，实现所述驱动电极未对准角度误差的闭环补偿。

6.根据权利要求5所述的一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿系统，其特征在于，所述控制电路系统包括相互连接和通讯的驱动控制单元、检测控制单元和频差控制单元；其中，

驱动控制单元，包括幅值控制模块和PLL模块，所述幅值控制模块输出的幅值控制信号经所述PLL模块输出信号调制后生成驱动控制信号；

检测控制单元，输出同相控制信号用于力平衡反馈控制以及在振型修调轴向输出正交控制信号用于振型修调；

频差控制单元，输出调频电压信号用于频率修调；

所述检测控制单元和频差控制单元协作实现模态匹配；所述谐振子系统的检测轴输出信号经所述PLL模块输出信号解调并在所述检测控制单元的控制下分别生成同相控制信号和正交控制信号。

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