CN112066966A - 基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法及装置，本发明方法包括驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态，且当速率积分陀螺A、速率积分陀螺B两者状态互补，并选择当前自由振动状态的速率积分陀螺A或速率积分陀螺B的信号作为检测信号。本发明通过采用两个速率积分陀螺的激励振动和自由振动交替互补的工作方式；利用了速率积分陀螺陀螺自由振动状态下的输出精度高的优点，避免了工作时间短的缺点，降低了对陀螺品质因数的要求，可为角度测量提供了一种精度高、动态范围大的全时测量方法。

Description

基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及微型陀螺的角度测量技术，具体涉及一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法及装置。

背景技术

微型陀螺是利用MEMS技术或其它微纳技术设计、加工、制造出来的微陀螺，此类陀螺是一种简并模式（degenerate mode）的哥式振动陀螺。该简并模式利用两个对称结构来检测回转角度，通常以力平衡（速率）或速率积分（全角）两种模式工作。在全角（速率积分）模式下，陀螺振子在激励力的作用下谐振，外力用于消除阻尼或不对称等缺陷的影响，这种工作模式下，机械元素充当角速度的“机械积分器”，因而可以直接测量出陀螺的旋转角度。

速率积分陀螺依据其谐振子的几何形状分为单环、多环和碟型等类型。速率积分陀螺具有体积小、响应时间短、动态范围大、工作温度范围宽、功耗低、抗振动冲击性能高、抗电离辐射能力强、稳定性高、使用寿命长等优点，同时，具有优异的标度因素稳定性和潜在的自标定能力，目前已广泛应用于各种系统中,且其发展前景极为广阔。比如：工业应用（如机器人技术和自动化等）、汽车稳定（如牵引力控制和翻车检测等）、自动驾驶（如自动驾驶汽车等）、目标跟踪（如增强现实AR和虚拟现实VR中的头部跟踪等）、航空航天（如无人机和速率积分等）和军事应用（如武器装备等）。

速率积分陀螺的工作原理为：当谐振子处于二阶振动模态且陀螺没有外界角速度输入时，谐振子阵形如图1中的子图a所示，谐振子的振型在圆-椭圆-圆-旋转90度椭圆-圆之间周期变化，此模态有4个波腹和4个波节点；当有外界有角速度Ω输入时，如1中的子图b所示，谐振子的振型会产生进动角θ，此时θ=-KΩ，K为谐振陀螺的进动因子，由谐振子的几何参数决定。因此只需要测量出谐振子振型角度变化，即可计算出陀螺转动的角度。速率积分陀螺中，驱动和检测具有至关重要的作用，这直接关系到陀螺的性能和精度。目前绝大部分的专利文献和专业文献（如US5616864、US20060248953A1、US5616864 、US9157739、JP2005503548A、EP2696169A2、EP2177875A2、EP0836073B1、CN1610819A、CN1571912A、CN1571913A、US20160341551A1、US20200011667A1、WO2009119205、CN104165624A）均从陀螺结构、电极形式、驱动方式、制造装配工艺、数据采集、数据处理等角度解决陀螺功能/性能问题，也有一些着重解决驱动轴对于检测轴的影响，通过频率、振幅和正交控制来提高陀螺性能，更有采用驱动/检测分时的工作方式来提升陀螺性能。 但是，现有技术单个陀螺驱动/检测分时的工作方式，当单个陀螺处于激励（驱动）状态下，由于速率积分方法的局限，如果此时角速率发生较大变化（如基座瞬间发生角抖动），则无法保证其测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，本发明通过采用两个速率积分陀螺的激励振动和自由振动交替互补的工作方式；利用了速率积分陀螺陀螺自由振动状态下的输出精度高的优点，避免了工作时间短的缺点，降低了对陀螺品质因数的要求，可为角度测量提供了一种精度高、动态范围大的全时测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，包括驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态，且当速率积分陀螺A位于激励振动状态时速率积分陀螺B处于自由振动状态、速率积分陀螺A位于自由振动状态时速率积分陀螺B处于激励振动状态，并选择当前自由振动状态的速率积分陀螺A或速率积分陀螺B的信号作为检测信号。

可选地，所述速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态是指速率积分陀螺A按照固定的周期T交替处于激励振动状态、自由振动状态。

可选地，所述速率积分陀螺A按照固定的周期交替处于激励振动状态、自由振动状态时，激励振动状态、自由振动状态两种状态在一个周期T中各占一半时间。

可选地，所述驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作时，针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B的控制步骤包括：在上电后分别给速率积分陀螺A、速率积分陀螺B施加激励，使得速率积分陀螺A、速率积分陀螺B同时进入激励振动状态；S2）针对速率积分陀螺A控制每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺A恢复激励振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态；针对速率积分陀螺A首先保持T周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，然后每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺B恢复激励振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺B进入自由振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺B交替处于激励振动状态、自由振动状态且相对速率积分陀螺A延迟T/2周期时长以与速率积分陀螺A状态互补，其中T为周期。

可选地，所述保持T/2周期时长的自由振动状态是指通过针对当前的检测信号进行衰减检测实现的，若当前的检测信号幅值衰减到指定值，则判定保持T/2周期时长的自由振动状态结束从而针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B执行一轮状态交替。

此外，本发明还提供一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量装置，包括速率积分陀螺A、速率积分陀螺B以及控制及检测电路，所述速率积分陀螺A、B两者的驱动端和输出端分别与控制及检测电路相连，所述控制及检测电路被编程或配置以执行所述基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法的步骤。

可选地，所述控制及检测电路还连接有输出电路。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明方法包括驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态，且当速率积分陀螺A、速率积分陀螺B两者状态互补，并选择当前自由振动状态的速率积分陀螺A或速率积分陀螺B的信号作为检测信号。本发明通过采用两个速率积分陀螺的激励振动和自由振动交替互补的工作方式；速率积分陀螺A、速率积分陀螺B组成自由振动状态下的全时测量，当角速率发生较大变化时，速率积分陀螺A、速率积分陀螺B组合能保证转角数据无丢失、动态范围大、测量精度高，利用了速率积分陀螺陀螺自由振动状态下的输出精度高的优点，避免了工作时间短的缺点，降低了对陀螺品质因数的要求，可为角度测量提供了一种精度高、动态范围大的全时测量方法。

附图说明

图1为现有的速率积分陀螺外界无、有角速度输入的谐振子阵形图对比。

图2为本发明实施例中两个速率积分陀螺的波形示意图。

图3为本发明实施例中的驱动控制流程示意图。

图4为本发明实施例装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图2，本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法包括驱动控制一对速率积分陀螺A（图2中记为A陀螺）、速率积分陀螺B（图2中记为B陀螺）交替互补工作，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态，且当速率积分陀螺A位于激励振动状态时速率积分陀螺B处于自由振动状态、速率积分陀螺A位于自由振动状态时速率积分陀螺B处于激励振动状态，并选择当前自由振动状态的速率积分陀螺A或速率积分陀螺B的信号作为检测信号。速率积分陀螺是利用MEMS技术或其它微纳技术设计、加工、制造出来的陀螺，此类陀螺是一种简并模式（degenerate mode）的哥式振动陀螺。该简并模式利用对称结构来检测回转角度，通常以力平衡（速率）和速率积分（全角）两种模式工作。本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法采用安装于一个基座或不同基座的同一惯性系内的两个速率积分陀螺，其中一个陀螺的谐振环处于激励振动时，另一个陀螺的谐振环处于自由振动状态，两个陀螺分别在激励振动和自由振动的两种状态之间交替和互补工作，本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法利用处于自由振动状态时的陀螺输出来检测基座或惯性系旋转的方向和角度。本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法利用了陀螺自由振动状态下的输出精度高的优点，避免了工作时间短的缺点。对单一陀螺而言，其处于激励（驱动）状态时，如果角速率发生较大变化（如基座瞬间发生角抖动），由于速率积分方法的局限，无法保证其测量精度；本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法利用速率积分陀螺A、速率积分陀螺B组成全时测量，确保任何时候陀螺稳定可靠输出数据，且无数据丢失。

需要说明的是，图2中最左侧速率积分陀螺A或速率积分陀螺B均处于激励振动状态是系统上电启动时的一种实施方式，此外也可以根据需要可知上电启动时速率积分陀螺A或速率积分陀螺B严格按照交替互补工作，或均处于自由振动状态，总之工作时的交替互补工作并不依赖于某一特定的系统上电启动状态。

其中，速率积分陀螺A、速率积分陀螺B可利用MEMS和其它微纳技术设计、加工和制造的速率积分陀螺，其并依赖特定的设计、加工和制造工艺。速率积分陀螺A、速率积分陀螺B可安装于一个基座或不同基座的同一惯性系内，使得速率积分陀螺A、速率积分陀螺B可实现在很对同一对象的检测。速率积分陀螺A、速率积分陀螺B均为具有轴对称或X-Y对称的简并模式陀螺。速率积分陀螺A、速率积分陀螺B的外形可选择为单一环型、多环、碟型、杯型或（半）球形等形状。速率积分陀螺A、速率积分陀螺B均工作于速率积分模式或称全角模式；速率积分陀螺A、速率积分陀螺B均工作于一阶、二阶或三阶振动模态；速率积分陀螺A、速率积分陀螺B的激励（驱动）方式可选择为电磁、压电、静电等。

本实施例中，速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态是指速率积分陀螺A按照固定的周期T交替处于激励振动状态、自由振动状态。其中某一速率积分陀螺处于自由振动状态时，测量该速率积分陀螺的输出角度值；其中某一速率积分陀螺处于驱动状态时，不测量该速率积分陀螺的输出角度值。本实施例中，速率积分陀螺A、速率积分陀螺B在激励振动和自由振动状态之间进行互补工作，自由振动幅值衰减到一定幅度时，另一陀螺即开始激励振动，从而可实现简单的状态切换。

参见图2，本实施例速率积分陀螺A按照固定的周期交替处于激励振动状态、自由振动状态时，激励振动状态、自由振动状态两种状态在一个周期T中各占一半时间。

参见图3，本实施例驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作时，针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B的控制步骤包括：在上电后分别给速率积分陀螺A、速率积分陀螺B施加激励，使得速率积分陀螺A、速率积分陀螺B同时进入激励振动状态；S2）针对速率积分陀螺A控制每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺A恢复激励振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态；针对速率积分陀螺A首先保持T周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，然后每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺B恢复激励振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺B进入自由振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺B交替处于激励振动状态、自由振动状态且相对速率积分陀螺A延迟T/2周期时长以与速率积分陀螺A状态互补，其中T为周期。

参见图2，本实施例保持T/2周期时长的自由振动状态是指通过针对当前的检测信号进行衰减检测实现的，若当前的检测信号幅值衰减到指定值，则判定保持T/2周期时长的自由振动状态结束从而针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B执行一轮状态交替，从而可以简单的实现状态交替控制，不需要采用计时器等复杂的实现方式。

综上，本实施例基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法通过驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作：其中速率积分陀螺A处于激励振动周期时，速率积分陀螺B处于自由振动周期；速率积分陀螺A处于自由振动周期时，速率积分陀螺B处于激励振动周期。对其中任一陀螺而言，在其处于激励振动状态时，不检测其输出，而仅仅在自由振动状态时，检测其输出；且在任何时候，均有一个陀螺工作在自由振动状态。这样，通过两个陀螺交替互补工作，实现自由振动状态下速率积分陀螺的长期稳定工作；同时相对于单个陀螺驱动/检测分时的工作方式，当单个陀螺处于激励（驱动）状态下，如果此时角速率发生较大变化（如基座瞬间发生角抖动），则无法保证其测量精度，本发明利用了陀螺自由振动状态下的输出精度高的优点，避免了工作时间短的缺点，降低了对陀螺品质因数的要求，为角度测量提供了一种精度高、动态范围大的全时测量方法。

参见图4，本实施例还提供一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量装置，包括速率积分陀螺A、速率积分陀螺B以及控制及检测电路，速率积分陀螺A、B两者的驱动端和输出端分别与控制及检测电路相连，控制及检测电路被编程或配置以执行前述基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法的步骤。

参见图4，本实施例控制及检测电路还连接有输出电路，此外控制及检测电路也可以集成输出电路，以直接输出检测信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，其特征在于，包括驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态，且当速率积分陀螺A位于激励振动状态时速率积分陀螺B处于自由振动状态、速率积分陀螺A位于自由振动状态时速率积分陀螺B处于激励振动状态，并选择当前自由振动状态的速率积分陀螺A或速率积分陀螺B的信号作为检测信号。

2.根据权利要求1所述的基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，其特征在于，所述速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态是指速率积分陀螺A按照固定的周期T交替处于激励振动状态、自由振动状态。

3.根据权利要求2所述的基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，其特征在于，所述速率积分陀螺A按照固定的周期交替处于激励振动状态、自由振动状态时，激励振动状态、自由振动状态两种状态在一个周期T中各占一半时间。

4.根据权利要求3所述的基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，其特征在于，所述驱动控制一对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B交替互补工作时，针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B的控制步骤包括：在上电后分别给速率积分陀螺A、速率积分陀螺B施加激励，使得速率积分陀螺A、速率积分陀螺B同时进入激励振动状态；S2）针对速率积分陀螺A控制每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺A恢复激励振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺A交替处于激励振动状态、自由振动状态；针对速率积分陀螺A首先保持T周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺A进入自由振动状态T/2周期时长，然后每保持T/2周期时长的自由振动状态则恢复激励使得速率积分陀螺B恢复激励振动状态T/2周期时长，每保持T/2周期时长的激励振动状态后则撤除激励使得速率积分陀螺B进入自由振动状态T/2周期时长，使得速率积分陀螺B交替处于激励振动状态、自由振动状态且相对速率积分陀螺A延迟T/2周期时长以与速率积分陀螺A状态互补，其中T为周期。

5.根据权利要求4所述的基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法，其特征在于，所述保持T/2周期时长的自由振动状态是指通过针对当前的检测信号进行衰减检测实现的，若当前的检测信号幅值衰减到指定值，则判定保持T/2周期时长的自由振动状态结束从而针对速率积分陀螺A、速率积分陀螺B执行一轮状态交替。

6.一种基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量装置，包括速率积分陀螺A、速率积分陀螺B以及控制及检测电路，所述速率积分陀螺A、B两者的驱动端和输出端分别与控制及检测电路相连，所述控制及检测电路被编程或配置以执行权利要求1～5中任意一项所述基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量方法的步骤。

7.根据权利要求6所述的基于双速率积分陀螺交替互补工作的角度测量装置，其特征在于，所述控制及检测电路还连接有输出电路。

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