CN111536994B - 一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺，该方法包括：系统控制参数产生驱动控制信号和检测控制信号经调制后加在驱动、检测电极上，发出低阶激励信号激励谐振结构在工作模态振动；陀螺正常工作后，预设泵浦参数产生泵浦信号加在泵浦电极上，发出边带激励信号，激发高阶耦合模态；对陀螺工作模态运动状态分析得到实时品质因数；在实时品质因数与目标之差大于阈值时，根据陀螺响应信号对驱动控制参数、检测控制参数以及泵浦参数进行调整，并重复以上步骤，直到实时品质因数与目标之差达到阈值；完成品质因数的调整。用于解决现有技术中不能对陀螺品质因数进行动态调控等问题，实现调控并提高陀螺机械灵敏度。

Description

一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微 陀螺

技术领域

本发明涉及谐振式微陀螺技术领域，具体是一种基于模态耦合效应的谐振式微陀螺多模态协同控制方法、控制系统及包含该控制系统的谐振式微陀螺。

背景技术

谐振式微陀螺仪是测量载体相对于惯性空间旋转运动的角速度的传感器，也是运动测量、惯性导航、制导控制、智能控制等应用领域中的基础核心器件。随着其结构设计和加工制造等相关技术的发展，谐振式微陀螺仪广泛应用于军事和商业领域。谐振式微陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等显著的结构优势，特别适用于需求量大、追求成本低的应用领域。研究和发展高性能谐振式微陀螺仪，满足发展工业装备和国防力量的迫切需求，具有重要的意义和应用价值。

谐振式微陀螺作为一种利用科里奥利力效应敏感外界角速度变化的谐振器，其基本工作原理基于1853年由法国科学家科里奥利提出的哥氏效应，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偏移的一种描述。谐振式微陀螺在不同的频段具有多个振动模态，在其本征模态频率处谐振器的响应将得到放大。谐振式微陀螺主要利用两个互为正交关系的模态作为驱动模态和检测模态来敏感外界角速度的信息，其性能与工作模态的特性息息相关。以嵌套环式谐振式微陀螺为例，其主要工作原理如图1所示：谐振结构在椭圆模态保持恒幅振动，参见图1箭头左侧的视图；当角速度作用于谐振结构轴向时，谐振结构上所有的运动微元均受到哥氏力的作用，其方向可由右手法则确定，大小与振动的速度和输入的角速度成正比，哥氏力的合力沿45°方向从而激励出了驱动椭圆模态的简并模态，参见图1中箭头右侧的视图。简并模态振动的幅值与输入角速度的大小成正比，通过解调简并模态的振动，就可得到角速度的大小，实现对外界运动的敏感。

品质因数是谐振式微陀螺仪的重要性能指标，反映了谐振器的能量在一个周期内的损耗情况，用以表征谐振结构的阻尼特性。一般而言，MEMS谐振结构的主要阻尼项包括热弹性阻尼、支撑损耗以及空气阻尼等，主要由谐振结构的结构形状、模态振型、运动状态以及封装工艺而决定。因此，对于实际工作在某一特定模态下的谐振结构，其品质因数特性是确定的，是由谐振结构工作特性和设计加工阶段所共同决定的。在陀螺仪加工完成之后，其品质因数是确定的，暂时无法改变的。现有解决方案，主要是通过优化结构设计和高真空封装工艺的方式，对陀螺仪谐振结构的阻尼项进行抑制，提升品质因数，但是对于已加工完成的陀螺仪谐振结构缺乏有效的品质因数调控手段。

模态耦合效应是MEMS谐振结构中一种独特的非线性振动现象，谐振器不同的模态之间不再相互独立，而是相互关联在一起，任一模态的状态发生改变都会影响其它模态的特性。谐振器同阶模态以及不同阶模态之间的耦合效应可以对谐振器的工作模态进行动力学操控，通过改变激励电压的幅值或者施加泵浦信号的形式，可以调节各模态之间的能量交互，进一步提升其品质因数，降低其量子噪声，从而提升微机械谐振器的精度。利用模态耦合效应可以对结构中各模态的能量进行调控，实现“参数放大”(参见图2a)、“机械冷却”(参见图2b)、“动态压缩”(参见图2c)、“频率锁定”、“模态能量搬移”等独特效应，为进一步提升谐振式微陀螺仪的品质因数特性提供了理论支持。

陀螺的工作模式主要有开环和闭环两种，对于旋转轴对称的谐振陀螺其一般工作在闭环模式。在闭环模式下，通过在检测轴施加反馈力抑制陀螺检测轴的同相输出，其中包括陀螺零偏输出和哥氏力导致的信号输出。但陀螺检测轴的正交输出和同相输出相互耦合，仅通过同相力反馈控制无法实现陀螺的正常工作，因此需要进行正交控制。常用的正交控制方法有力控正交和参控正交。力控正交模式下，陀螺的同相输出由与振动位移信号成90度相位的反馈力抑制，正交输出由与振动位移信号同相的反馈力抑制；参控正交模式下，陀螺的同相输出仍由与振动位移信号成90度相位的反馈力抑制，但正交输出由静电力调轴实现刚度轴对准进行抑制。谐振式微陀螺闭环控制系统结构框图如图3所示，根据陀螺的响应信号实现驱动闭环控制和调轴调频控制，但是缺少对陀螺品质因数的调控环路。

发明内容

本发明提供一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺，用于克服现有技术中不能对陀螺品质因数进行调控导致陀螺机械灵敏度不高等缺陷，通过泵浦环路对陀螺品质因数进行调整，对加工完成的陀螺实现品质因数的调整，以提升陀螺的机械灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据初始参数生成驱动控制参数、检测控制参数；响应驱动控制参数、检测控制参数分别产生驱动控制信号和检测控制信号；

步骤2，所述驱动控制信号经调制后施加在陀螺的驱动电极上，驱动电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在驱动模态下振动；同时，所述检测控制信号经调制后施加在陀螺的检测电极上，检测电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在检测模态下振动；

步骤3，在谐振结构正常工作后，基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数和检测泵浦参数，响应所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，分别施加在陀螺的驱动泵浦电极和检测泵浦电极上，驱动泵浦电极和检测泵浦电极对陀螺的谐振结构同时发出边带激励信号，激发产生分别与所述驱动模态和所述检测模态耦合的高阶模态，实现所述工作模态品质因数的放大或缩小；

步骤4，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述驱动模态的振动幅值，结合所述驱动电极的激励信号，可得到所述陀螺驱动模态的实时品质因数；同时，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述检测模态的振动幅值，结合所述检测电极的激励信号，可得到所述陀螺检测模态的实时品质因数；通过所述检测模态的响应信号进行二次解调，可得到陀螺刚度轴偏角和频率裂解信息，并利用调轴电极和调频电极进行修调；

步骤5，当所述陀螺驱动模态和检测模态的实时品质因数与预期目标之差大于阈值时，对所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数进行调整，并重复步骤1～4，直到实时品质因数与目标之差小于阈值；完成对陀螺工作模态品质因数的动态调整。

为实现上述目的，本发明还提供一种谐振式微陀螺多模态协同控制系统，包括：

上位机系统，包括参数控制模块，所述参数控制模块用于根据初始参数生成控制参数并传输给控制电路系统，还用于基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数和检测泵浦参数；所述控制参数包括驱动控制参数、检测控制参数；

控制电路系统，包括驱动环路、检测环路、泵浦环路和调制解调环路；所述驱动环路用于响应所述驱动控制参数并产生驱动控制信号，实现对陀螺驱动模态的闭环控制；所述检测环路用于响应所述检测控制参数并产检测控制信号，实现对陀螺检测模态的闭环控制；所述泵浦环路用于响应驱动泵浦参数和检测泵浦参数产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，激发高阶模态与工作模态之间的耦合，实现对工作模态品质因数的修调；所述调制解调环路用于对所述驱动控制信号、检测控制信号、驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号进行调制后施加给陀螺的相应电极，以激发低阶工作模态和高阶耦合模态，同时根据调制信息对陀螺的响应信号进行解调，以辨别提取陀螺工作模态和耦合模态的信息，实现信号分离；

其中所述泵浦环路包括：

驱动泵浦环路，用于响应所述驱动泵浦参数产生驱动泵浦控制信号，并施加在陀螺的驱动泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与驱动模态耦合，同时根据驱动模态实时品质因数与设定值之间的差别，对驱动泵浦参数进行闭环控制，以实现对驱动模态品质因数的动态修调；

检测泵浦环路，用于响应所述检测泵浦参数产生检测泵浦控制信号，并施加在陀螺的检测泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与检测模态耦合，同时根据检测模态实时品质因数与设定值之间的差别，对检测泵浦参数进行闭环控制，以实现对检测模态品质因数的动态修调；

处理器和存储器，所述存储器存储有谐振式微陀螺多模态协同控制程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1～4任一方法的步骤。

为实现上述目的，本发明还提供一种谐振式微陀螺，包括谐振结构和设置在所述谐振结构外围并呈对称结构的静电驱动电极、检测电极、泵浦电极、修调电极；

所述驱动电极，所述谐振结构在驱动电极的作用下可激励出驱动模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述检测电极，所述谐振结构在检测电极的作用下可激励出检测模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述泵浦电极，用于将所述谐振结构激励出耦合模态，通过调节泵浦信号，实现对耦合模态品质因数的调节；

所述修调电极，用于对所述谐振结构的刚度轴偏角、频率不匹配特征进行修调，以及用于对不同阶耦合模态的耦合强度的修调；

调轴电极，用于对谐振结构施加调轴电压，可调节谐振结构的刚度轴偏角，抑制正交误差；

调频电极，用于对谐振结构施加调频电压，可调节谐振结构驱动模态和检测模态之间的频率裂解，抑制频率不匹配；

谐振式微陀螺多模态协同控制系统，通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的处理器对陀螺的工作模态运动状态进行分析，提取外界角速度信息，同时通过对高低阶耦合模态进行操控，实现对工作模态品质因数的动态调节；

通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的上位机模块，对所述谐振结构的驱动控制信号、陀螺响应以及误差补偿进行控制修调。本发明提供的谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺，利用微机电谐振结构内部不同模态之间的耦合效应，通过施加泵浦参数包括频率和幅值的方法，改变耦合强度和耦合关系，实现对非工作模态与工作模态之间的能量流操控，进而完成对工作模态品质因数的动态调节。本发明能够实现谐振式微陀螺仪工作模态品质因数的动态操控，一方面既可以大幅度提高谐振器品质因数，提高陀螺的零偏稳定性；另一方面也可以通过降低品质因数，实现模态之间的快速交换，对提高陀螺整体性能有着重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为嵌套环式谐振微陀螺的工作原理示意图。

图2a为基于模态耦合理论的声子腔动力学操控放大技术原理示意图。

图2b为基于模态耦合理论的声子腔动力学操控冷却技术原理示意图。

图2c为基于模态耦合理论的声子腔动力学操控压缩技术原理示意图。

图3为传统的谐振式微陀螺闭环控制系统结构框图。

图4为本发明实施例四提供的基于模态耦合效应的谐振式微陀螺多模态协同控制系统的结构示意图。

图5为本发明实施例五提供的谐振式微陀螺仪系统的结构示意图。

图6为本发明实施例一提供的多模态协同控制驱动模态及检测模态品质因数的工作流程框图。

图7为本发明实施例二提供的多模态协同控制驱动模态品质因数的工作流程框图。

图8为本发明实施例三的多模态协同控制检测模态品质因数的工作流程框图。

图9为本发明实施例提供的品质因数放大系统的工作示意图。

图10为本发明实施例采用Stokes泵进行品质因数放大的理论原理图。

图11为本发明实施例提供的品质因数缩小系统的工作示意图。

图12为本发明实施例采用Anti-Stokes泵进行品质因数缩小的理论原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如图6所示，一种多模态协同控制驱动模态及检测模态品质因数的方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据初始参数生成驱动控制参数、检测控制参数；响应驱动控制参数、检测控制参数分别产生驱动控制信号和检测控制信号；

步骤S2，所述驱动控制信号经调制后施加在陀螺的驱动电极上，驱动电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在驱动模态下振动；同时，所述检测控制信号经调制后施加在陀螺的检测电极上，检测电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在检测模态下振动；

步骤S3，在谐振结构正常工作后，基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数和检测泵浦参数，响应所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，分别施加在陀螺的驱动泵浦电极和检测泵浦电极上，驱动泵浦电极和检测泵浦电极对陀螺的谐振结构同时发出边带激励信号，激发产生分别与所述驱动模态和所述检测模态耦合的高阶模态，实现所述工作模态品质因数的放大或缩小；

这里边带激励信号的频率为所述耦合模态频率之和、耦合模态频率之差、倍频、次频、频率边带中的至少一种；

步骤S4，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述驱动模态的振动幅值，结合所述驱动电极的激励信号，可得到所述陀螺驱动模态的实时品质因数；同时，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述检测模态的振动幅值，结合所述检测电极的激励信号，可得到所述陀螺检测模态的实时品质因数；通过所述检测模态的响应信号进行二次解调，可得到陀螺刚度轴偏角和频率裂解信息，并利用调轴电极和调频电极进行修调；

步骤S5，当所述陀螺驱动模态和检测模态的实时品质因数与预期目标之差大于阈值时，对所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数进行调整，并重复步骤S1～4，直到实时品质因数与目标之差小于阈值；完成对陀螺工作模态品质因数的动态调整。这里的驱动泵浦参数和检测泵浦参数均包括泵浦频率和幅值；

所述步骤S4获得实时品质因数的步骤包括：

步骤S41，对陀螺谐振结构的输出信号进行提取，分别根据驱动模态和检测模态的载波信息进行一次解调，得到陀螺驱动模态和检测模态的响应信号；

步骤S42，对陀螺驱动模态和检测模态的响应信号进行分析，可得到陀螺谐振结构在驱动模态下的振动幅值和检测模态下的振动幅值，然后根据系统所施加的驱动控制信号大小和检测控制信号大小，可以反推出陀螺谐振结构驱动模态和检测模态的实时品质因数。

所述步骤S4获得消除刚度轴偏角和频率裂解的步骤包括：

步骤S43，通过利用所述驱动模态的相位对所述检测模态的响应信号进行二次解调，得到所述检测模态的同相信号和正交信号；所述正交信号反映了检测模态的刚度轴偏角信息，而所述同相信号与所述驱动模态频率之间的差值反映了频率裂解信息；

步骤S44，根据所述正交信号在调轴环路上生成正交修调控制信号，施加在调轴电极上用于陀螺刚度轴的修调；同时根据所述同相信号与所述驱动模态之间的频差，生成频率修调控制信号，施加在调频电极上用于陀螺频率裂解的修调，以实现工作模态的频率匹配。

本发明的基础理论分析如下。当谐振式微陀螺谐振器工作模态和高阶耦合模态的固有角频率分别为ω₁和ω₂(ω₁<ω₂)。那么谐振式微陀螺的工作模态ω₁为被操纵模态，高阶耦合模态ω₂为机械谐振腔。当在机械谐振腔的边带施加角频率为ω_p＝ω₁+ω₂的激励信号时，由于两个模态之间的内部耦合效应，被操纵模态在固有角频率ω₁附近的能量增强，品质因数Q₁增大。通过Stokes泵进行边带激励，可以提升陀螺工作模态的Q值，从而提升陀螺的机械灵敏度；当在机械谐振腔的边带施加角频率为ω_p＝ω₂-ω₁的激励信号时，由于两个模态之间的内部耦合效应，被操纵模态在固有角频率ω₁附近的的能量减弱，品质因数Q₁增大降低。通过Anti-Stokes泵进行边带激励，可以提升陀螺工作模态的Q值，从而提升陀螺的机械灵敏度。

首先，根据文献[H.Okamoto,A.Gourgout,C.Y.Chang et al.Coherent phononmanipulation in coupled mechanical resonators[J].Nature Physics,2013,9(9):598-598.]，施加参数泵浦后的陀螺动力学模型可以表述为：

其中，X₁和X₂、Ω₁和Ω₂、Υ₁和Υ₂分别为被操纵模态和机械谐振腔的位移、固有角频率和归一化后的阻尼系数，ΔΩ＝Ω₂-Ω₁，c为被操纵模态和机械谐振腔的耦合强度，Γ、ω_p分别为参数泵的强度系数、角频率；

参数泵强度系数Γ满足：

其中，α为调频系数，代表直流电压对被操纵模态角频率的调节能力，α越大，直流电压对被操纵模态角频率的调节能力越强。dΩ₁/dV表示被操纵模态固有角频率对直流电压的变化率；

为了得到边带激励情况下被操纵模态在固有角频率附近的近似解，将方程(1)转换成矩阵形式：

为了将方程(1)转换为齐次对称形式，使用单位正交矩阵U对方程(3)进行坐标变换：

其中，φ₁和φ₂分别为被操纵模态和机械谐振腔的广义转角，单位正交矩阵U为：

其中：

由于单位正交矩阵U具备性质U^-1＝U，则经过坐标变换后方程(1)的齐次对称形式为：

其中，γ₁和γ₂分别为被操纵模态和机械谐振腔的广义阻尼系数，满足：

ω₁和ω₂分别为被操纵模态和机械谐振腔的广义角频率，满足：

Γ₁、Γ₂、Λ均为广义模态耦合强度系数，其中Γ₁和Γ₂分别为被操纵模态和机械谐振腔的内耦合强度系数，其影响体现在各自模态中，Λ为被操纵模态和机械谐振腔的外耦合强度系数，其影响体现在模态间的相互作用，三者均匀参数泵的强度系数Γ成正比关系，满足：

方程(7)的稳态解可以采用高阶谐波近似方法进行数值求解，将方程(7)中的φ₁(t)和φ₂(t)分别通过m阶谐波展开，得到：

其中，a_m(t)和b_m(t)分别为φ₁(t)和φ₂(t)的第m阶谐波展开的幅值，将公式(11)代入方程(7)中，忽略a_m(t)和b_m(t)的高阶微分项和F₀的2ω_d频率信号，则方程(7)可以表示为一系列方程：

其中，δ_m,0为狄拉克函数，满足：

通过对方程(12)进行数值求解，即可得到陀螺在参数泵浦作用下的品质因数。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种多模态协同控制驱动模态品质因数的方法，包括以下步骤：

步骤S101，根据初始参数生成驱动控制参数、检测控制参数；响应驱动控制参数、检测控制参数分别产生驱动控制信号和检测控制信号；

步骤S201，所述驱动控制信号经调制后施加在陀螺的驱动电极上，驱动电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在驱动模态下振动；同时，所述检测控制信号经调制后施加在陀螺的检测电极上，检测电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在检测模态下振动；

步骤S301，在谐振结构正常工作后，基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦频率和幅值产生驱动泵浦控制信号，施加在陀螺的驱动泵浦电极之上，驱动泵浦电极对陀螺的谐振结构同时发出边带激励信号，激发产生与所述驱动模态耦合的高阶模态，实现所述工作模态品质因数的放大或缩小；

这里边带激励信号的频率为所述耦合模态频率之和、耦合模态频率之差、倍频、次频、频率边带中的至少一种；

步骤S401，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述驱动模态的振动幅值，结合所述驱动电极的激励信号，可得到所述陀螺驱动模态的实时品质因数；同时，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述检测模态的响应信号，通过所述检测模态的响应信号进行二次解调，可得到陀螺刚度轴偏角和频率裂解信息，并利用调轴电极和调频电极进行修调；

步骤S501，当所述陀螺驱动模态的实时品质因数与预期目标之差大于阈值时，对所述驱动泵浦参数进行调整，并重复步骤S1～4，直到实时品质因数与目标之差小于阈值；完成对陀螺工作模态品质因数的动态调整。

所述步骤S401获得实时品质因数的步骤包括：

步骤S4101，对陀螺谐振结构的输出信号进行提取，分别根据驱动模态和检测模态的载波信息进行一次解调，得到陀螺驱动模态和检测模态的响应信号；

步骤S4201，对陀螺驱动模态的响应信号进行分析，可得到陀螺谐振结构在驱动模态下的振动幅值下的振动幅值，然后根据系统所施加的驱动控制信号大小，可以反推出陀螺谐振结构驱动模态的实时品质因数。

所述步骤S401获得消除刚度轴偏角和频率裂解的步骤包括：

步骤S4301，通过利用所述驱动模态的相位对所述检测模态的响应信号进行二次解调，得到所述检测模态的同相信号和正交信号；所述正交信号反映了检测模态的刚度轴偏角信息，而所述同相信号与所述驱动模态频率之间的差值反映了频率裂解信息；

步骤S4401，根据所述正交信号在调轴环路上生成正交修调控制信号，施加在调轴电极上用于陀螺刚度轴的修调；同时根据所述同相信号与所述驱动模态之间的频差，生成频率修调控制信号，施加在调频电极上用于陀螺频率裂解的修调，以实现工作模态的频率匹配。

实施例三

如图8所示，提供一种多模态协同控制检测模态品质因数的方法，其原理与该实施例相同，在此不再赘述。

实施例四

如图4～12所示，在实施例一至三的基础上，本发明实施例还提供一种谐振式微陀螺多模态协同控制系统，包括：

上位机系统，包括参数控制模块，所述参数控制模块用于根据初始参数生成控制参数并传输给控制电路系统，还用于基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数、检测泵浦参数；所述控制参数包括驱动控制参数、检测控制参数、驱动泵浦参数、检测泵浦参数；这里的驱动泵浦参数和检测泵浦参数均包括泵浦频率和幅值；

控制电路系统，包括驱动环路、检测环路、泵浦环路和调制解调环路；所述驱动环路用于响应所述驱动控制参数并产生驱动控制信号，实现对陀螺驱动模态的闭环控制；所述检测环路用于响应所述检测控制参数并产检测控制信号，实现对陀螺检测模态的闭环控制；所述泵浦环路用于响应驱动泵浦频率和幅值和检测泵浦频率和幅值产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，激发高阶模态与工作模态之间的耦合，实现对工作模态品质因数的修调；所述调制解调环路用于对所述驱动控制信号、检测控制信号、驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号进行调制后施加给陀螺的相应电极，以激发低阶工作模态和高阶耦合模态，同时根据调制信息对陀螺的响应信号进行解调，以辨别提取陀螺工作模态和耦合模态的信息，实现信号分离；

其中所述泵浦环路包括：

驱动泵浦环路，用于响应所述驱动泵浦频率和幅值产生驱动泵浦控制信号，并施加在陀螺的驱动泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与驱动模态耦合，同时根据驱动模态实时品质因数与设定值之间的差别，对驱动泵浦频率和幅值进行闭环控制，以实现对驱动模态品质因数的动态修调；

检测泵浦环路，用于响应所述检测泵浦频率和幅值产生检测泵浦控制信号，并施加在陀螺的检测泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与检测模态耦合，同时根据检测模态实时品质因数与设定值之间的差别，对检测泵浦频率和幅值进行闭环控制，以实现对检测模态品质因数的动态修调；

处理器和存储器，所述存储器存储有谐振式微陀螺多模态协同控制程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述任一实施例所述方法的步骤。通过运行软件程序获得泵浦参数的调整实现陀螺工作模态品质因数的动态调控。

优选地，所述上位机系统还包括：

参数监控模块，用于对角速度信息进行监控；

参数补偿模块，用于根据角速度信息识别陀螺系统的相位误差，并对驱动控制信号、驱动泵浦频率和幅值、检测泵浦频率和幅值以及修调控制信号进行误差补偿；

所述控制电路系统还包括：

修调环路，生成修调控制信号施加在陀螺的修调电极上以对所述谐振结构发出激励信号，修调所述谐振结构动态特性参数，并调节耦合模态的耦合强度。

优选地，为了实现高阶耦合模态的匹配，所述修调环路包括：

调轴环路，生成正交修调控制信号，施加在调轴电极上用于陀螺在振型上修调轴，

调频环路，生成调频电压信号施加在调频电极上用于陀螺工作模态频率裂解的修调，两者协作共同实现耦合模态匹配。

本发明实施例提供了一种基于模态耦合效应的谐振式微陀螺多模态协同控制系统，主要由谐振式微陀螺系统1、控制电路系统7以及上位机系统16组成，整体结构如图4所示。

其中，谐振式微陀螺系统1主要由陀螺谐振结构2、驱动电极3、检测电极4、修调电极5和泵浦电极6组成，陀螺谐振结构2用于敏感外界角速度信息；驱动电极3用于产生驱动信号，对所述陀螺谐振结构2进行驱动模态激励；检测电极4用于产生检测信号，对所述陀螺谐振结构2进行检测模态激励；修调电极5用于产生修调信号，对所述陀螺谐振结构2进行参数修调；泵浦电极6用于产生泵浦信号，对所述陀螺谐振结构2进行泵浦激励。

控制电路系统7主要由调制解调环路8、驱动环路11、检测环路12、调轴环路13、调频环路14、泵浦环路15组成，调制解调环路8包含调制模块9和解调模块10，分别用于对谐振式微陀螺控制信号的调制和对陀螺响应信号的解调，便于分析陀螺响应；驱动环路11则是通过闭环实现对陀螺驱动模态响应幅值的稳幅控制；检测环路12用于通过闭环实现对陀螺检测模态响应幅值的稳幅控制，用于调轴环路13则是用于对陀螺谐振结构自身刚度轴偏角的控制，包含开环和闭环两种工作模式；调频环路14用于对陀螺谐振结构工作模态的频率进行调控，包含开环和闭环两种工作模式；泵浦环路15则是根据功能需要对陀螺耦合模态进行控制，产生参数放大信号或者参数冷却信号，实现对谐振器工作模态品质因数的操控，包含开环和闭环两种工作模式。

上位机系统16则主要由参数控制模块17、参数监控模块18以及参数补偿模块19组成。参数控制模块17在上位机之中提供谐振式微陀螺系统的控制参数，可用于动态调节系统的各项控制参数；参数监控模块18则是将经过控制电路系统7之后的陀螺谐振结构2响应信号直观的展示在上位机控制面板之中，实现数据分析、整理、存储；参数补偿模块19提供了对陀螺系统的相位误差以及温度漂移等误差因素的补偿接口。

本发明针对加工完备后的谐振式微陀螺系统品质因数难以调控的难题，基于如图5所示的模态耦合效应，分别利用参数放大和参数冷却两种多模态协同控制技术，实现谐振式微陀螺品质因数的放大或缩小。本发明所提出的多模态协同控制驱动模态和检测模态框图如图6所示。

本发明分应用于谐振式微陀螺仪工作模态品质因数放大的工作流程如图9所示，可以表述为：

上位机系统16的参数控制模块17输出陀螺的控制参数，控制电路系统7根据上位机系统输出的参数做出电学响应，驱动环路11产生驱动控制信号，该信号经过调制解调环路8中调制模块9后，施加在谐振式微陀螺系统1的驱动电极3之上，激励谐振结构驱动模态振动；检测12产生检测控制信号，该信号经过调制解调环路8中调制模块9后，施加在谐振式微陀螺系统1的检测电极4之上，激励谐振结构检测模态振动。当谐振式微陀螺系统正常工作后，通过在参数控制模块17设置参数(泵浦的频率和幅值)，基于参数放大效应，使之满足如图10所示的Stokes泵的工作条件，泵浦环路15则产生相应的泵浦信号，作用于泵浦电极6之上，激励产生高阶耦合模态，高阶模态将会给陀螺工作模态提供能量，进而提升其品质因数。调轴环路13在振型修调轴向上输出正交修调控制信号，施加在修调电极5之上用于陀螺的调轴控制，同时调频环路14生成的调频电压信号用于频率修调，两者协作共同实现模态匹配。此外，在外界已知角速度输入下，参数补偿模块19可以辨识系统相位误差，并进行补偿，同时可以根据系统零偏以及频率等参数随温度的变化可以实现温度补偿。参数监控模块18实时反馈显示陀螺系统的状态和性能参数。

本发明分应用于谐振式微陀螺仪工作模态品质因数缩小的工作流程如图11所示，可以表述为：

上位机系统16的参数控制模块17输出陀螺的控制参数，控制电路系统7根据上位机系统输出的参数做出电学响应，驱动环路11产生驱动控制信号，该信号经过调制解调环路8中调制模块9后，施加在谐振式微陀螺系统1的驱动电极3之上，激励谐振结构驱动模态振动；检测12产生检测控制信号，该信号经过调制解调环路8中调制模块9后，施加在谐振式微陀螺系统1的检测电极4之上，激励谐振结构检测模态振动。当谐振式微陀螺系统正常工作后，通过在参数控制模块17设置参数泵浦的频率和幅值，基于参数冷却效应，使之满足如图12所示的Anti-Stokes泵的工作条件，泵浦环路15则产生相应的泵浦信号，作用于泵浦电极6之上，激励产生高阶耦合模态，高阶模态将会从陀螺工作模态抽取能量，进而降低其品质因数。调轴环路13在振型修调轴向上输出正交控制信号，施加在修调电极5之上用于陀螺的调轴控制，同时调频环路14生成的调频电压信号用于频率修调，两者协作共同实现模态匹配。此外，在外界已知角速度输入下，参数补偿模块19可以辨识系统相位误差，并进行补偿，同时可以根据系统零偏以及频率等参数随温度的变化可以实现温度补偿。参数监控模块18实时反馈显示陀螺系统的状态和性能参数。

边带激励是微机电谐振器模态耦合的重要表现形式，通过边带激励可以实现陀螺模态的能量控制。通过Stokes泵进行边带激励可以提升低阶模态的Q值，而通过anti-Stokes泵进行边带激励可以减低低阶模态的Q值，进而实现对陀螺系统工作模态品质因数的调控。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

本发明提供了一种基于模态耦合效应的多模态协同控制的谐振式微陀螺仪系统，该系统利用微机电谐振器内部的模态耦合效应，通过施加参数泵浦，调节多模态之间的耦合强度，能够实现对谐振式微陀螺仪工作模态品质因数特性的动态调节，一方面既可以大幅度提高谐振器品质因数，提高陀螺的零偏稳定性；另一方面也可以通过降低品质因数，实现模态之间的快速交换。本发明通过测控电路对谐振式微陀螺仪系统进行多模态协同控制，能够实现对已加工完成的陀螺仪谐振结构的品质因数进行动态调控，能够在传统的优化结构设计和封装工艺的基础之上，进一步调节谐振结构的品质因数，为提升谐振式微陀螺性能提供了新的思路和方法。

实施例五

基于上述实施例四，本发明实施例提供一种谐振式微陀螺，包括谐振结构和设置在所述谐振结构外围并呈对称结构的静电驱动电极、检测电极、泵浦电极、修调电极；

所述驱动电极，所述谐振结构在驱动电极的作用下可激励出驱动模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述检测电极，所述谐振结构在检测电极的作用下可激励出检测模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述泵浦电极，用于将所述谐振结构激励出耦合模态，通过调节泵浦信号，实现对耦合模态品质因数的调节；

所述修调电极，用于对所述谐振结构的刚度轴偏角、频率不匹配特征进行修调，以及用于对不同阶耦合模态的耦合强度的修调；

调轴电极，用于对谐振结构施加调轴电压，可调节谐振结构的刚度轴偏角，抑制正交误差；

调频电极，用于对谐振结构施加调频电压，可调节谐振结构驱动模态和检测模态之间的频率裂解，抑制频率不匹配；

上述任意实施例三的谐振式微陀螺多模态协同控制系统，谐振式微陀螺多模态协同控制系统，通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的处理器对陀螺的工作模态运动状态进行分析，提取外界角速度信息，同时通过对高低阶耦合模态进行操控，实现对工作模态品质因数的动态调节；

通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的上位机模块，对所述谐振结构的驱动控制信号、陀螺响应以及误差补偿进行控制修调。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据初始参数生成驱动控制参数、检测控制参数；响应驱动控制参数、检测控制参数分别产生驱动控制信号和检测控制信号；

步骤2，所述驱动控制信号经调制后施加在陀螺的驱动电极上，驱动电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在驱动模态下振动；同时，所述检测控制信号经调制后施加在陀螺的检测电极上，检测电极对陀螺的谐振结构发出激励信号，激发工作模态，激励谐振结构在检测模态下振动；

步骤3，在谐振结构正常工作后，基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数和检测泵浦参数，响应所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，分别施加在陀螺的驱动泵浦电极和检测泵浦电极上，驱动泵浦电极和检测泵浦电极对陀螺的谐振结构同时发出边带激励信号，激发产生分别与所述驱动模态和所述检测模态耦合的高阶模态，实现所述工作模态品质因数的放大或缩小；

步骤4，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述驱动模态的振动幅值，结合所述驱动电极的激励信号，可得到所述陀螺驱动模态的实时品质因数；同时，通过对谐振结构的响应信号解调可得到所述检测模态的振动幅值，结合所述检测电极的激励信号，可得到所述陀螺检测模态的实时品质因数；通过所述检测模态的响应信号进行二次解调，可得到陀螺刚度轴偏角和频率裂解信息，并利用调轴电极和调频电极进行修调；

步骤5，当所述陀螺驱动模态和检测模态的实时品质因数与预期目标之差大于阈值时，对所述驱动泵浦参数和检测泵浦参数进行调整，并重复步骤1～4，直到实时品质因数与目标之差小于阈值；完成对陀螺工作模态品质因数的动态调整。

2.如权利要求1所述的谐振式微陀螺多模态协同控制方法，其特征在于，所述步骤4获得实时品质因数的步骤包括：

步骤41，对陀螺谐振结构的输出信号进行提取，分别根据驱动模态和检测模态的载波信息进行一次解调，得到陀螺驱动模态和检测模态的响应信号；

步骤42，对陀螺驱动模态和检测模态的响应信号进行分析，可得到陀螺谐振结构在驱动模态下的振动幅值和检测模态下的振动幅值，然后根据系统所施加的驱动控制信号大小和检测控制信号大小，可以反推出陀螺谐振结构驱动模态和检测模态的实时品质因数。

3.如权利要求1所述的谐振式微陀螺多模态协同控制方法，其特征在于，在所述步骤4获得消除刚度轴偏角和频率裂解的步骤包括：

步骤43，通过所述驱动模态的相位对所述检测模态的响应信号进行二次解调，得到所述检测模态的同相信号和正交信号；所述正交信号反映了检测模态的刚度轴偏角信息，所述同相信号与所述驱动模态频率之间的差值反映了频率裂解信息；

步骤44，根据所述正交信号在调轴环路上生成正交修调控制信号，施加在调轴电极上用于陀螺刚度轴的修调；根据所述同相信号与所述驱动模态之间的频差，生成频率修调控制信号，施加在调频电极上用于陀螺频率裂解的修调，以实现工作模态的频率匹配。

4.如权利要求1～3任一项所述的谐振式微陀螺多模态协同控制方法，其特征在于，所述边带激励信号的频率为所述耦合模态频率之和、耦合模态频率之差、倍频、次频、频率边带中的至少一种。

5.一种谐振式微陀螺多模态协同控制系统，其特征在于，包括：

上位机系统，包括参数控制模块，所述参数控制模块用于根据初始参数生成控制参数并传输给控制电路系统，还用于基于参数放大效应或基于参数冷却效应设置驱动泵浦参数和检测泵浦参数；所述控制参数包括驱动控制参数、检测控制参数；

控制电路系统，包括驱动环路、检测环路、泵浦环路和调制解调环路；所述驱动环路用于响应所述驱动控制参数并产生驱动控制信号，实现对陀螺驱动模态的闭环控制；所述检测环路用于响应所述检测控制参数并产检测控制信号，实现对陀螺检测模态的闭环控制；所述泵浦环路用于响应驱动泵浦参数和检测泵浦参数产生驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号，激发高阶模态与工作模态之间的耦合，实现对工作模态品质因数的修调；所述调制解调环路用于对所述驱动控制信号、检测控制信号、驱动泵浦控制信号和检测泵浦控制信号进行调制后施加给陀螺的相应电极，以激发低阶工作模态和高阶耦合模态，同时根据调制信息对陀螺的响应信号进行解调，以辨别提取陀螺工作模态和耦合模态的信息，实现信号分离；

其中所述泵浦环路包括：

驱动泵浦环路，用于响应所述驱动泵浦参数产生驱动泵浦控制信号，并施加在陀螺的驱动泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与驱动模态耦合，同时根据驱动模态实时品质因数与设定值之间的差别，对驱动泵浦参数进行闭环控制，以实现对驱动模态品质因数的动态修调；

检测泵浦环路，用于响应所述检测泵浦参数产生检测泵浦控制信号，并施加在陀螺的检测泵浦电极上，以对陀螺的谐振结构发出边带激励信号，激发高阶模态与检测模态耦合，同时根据检测模态实时品质因数与设定值之间的差别，对检测泵浦参数进行闭环控制，以实现对检测模态品质因数的动态修调；

处理器和存储器，所述存储器存储有谐振式微陀螺多模态协同控制程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1～4任一方法的步骤。

6.如权利要求5所述的谐振式微陀螺多模态协同控制系统，其特征在于，所述上位机系统还包括：

参数监控模块，用于对角速度信息进行监控；

参数补偿模块，用于根据角速度信息识别陀螺系统的相位误差，并对驱动控制信号、驱动泵浦参数、检测泵浦参数以及修调控制信号进行误差补偿；

所述控制电路系统还包括：

修调环路，生成修调控制信号施加在陀螺的修调电极上以对所述谐振结构发出激励信号，修调所述谐振结构动态特性参数，并调节耦合模态的耦合强度。

7.如权利要求6所述的谐振式微陀螺多模态协同控制系统，其特征在于，所述修调环路包括：

调轴环路，生成正交修调控制信号，施加在调轴电极上用于陀螺在振型上修调轴；

调频环路，生成调频电压信号施加在调频电极上用于陀螺工作模态频率裂解的修调，两者协作共同实现耦合模态匹配。

8.一种谐振式微陀螺，包括谐振结构和设置在所述谐振结构外围并呈对称结构的静电驱动电极、检测电极、泵浦电极、修调电极；

所述驱动电极，所述谐振结构在驱动电极的作用下可激励出驱动模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述检测电极，所述谐振结构在检测电极的作用下可激励出检测模态，同时实现对所述谐振结构运动状态的动态控制；

所述泵浦电极，用于将所述谐振结构激励出耦合模态，通过调节泵浦信号，实现对耦合模态品质因数的调节；

所述修调电极，用于对所述谐振结构的刚度轴偏角、频率不匹配特征进行修调，以及用于对不同阶耦合模态的耦合强度的修调；

其特征在于，还包括：

调轴电极，用于对谐振结构施加调轴电压，可调节谐振结构的刚度轴偏角，抑制正交误差；

调频电极，用于对谐振结构施加调频电压，可调节谐振结构驱动模态和检测模态之间的频率裂解，抑制频率不匹配；

如权利要求5～7任一项所述的谐振式微陀螺多模态协同控制系统，通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的处理器对陀螺的工作模态运动状态进行分析，提取外界角速度信息，同时通过对高低阶耦合模态进行操控，实现对工作模态品质因数的动态调节；

通过所述谐振式微陀螺多模态协同控制系统的上位机模块，对所述谐振结构的驱动控制信号、陀螺响应以及误差补偿进行控制修调。

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