CN112504258A - 基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路及方法，该控制电路包括石英半球谐振陀螺罩子及套装在所述石英半球谐振陀螺罩子里面的石英半球谐振陀螺，所述石英半球谐振陀螺周围均匀间隔布置有检测电极和反馈电极，所述检测电极连接模拟环形二极管放大滤波电路，所述模拟环形二极管放大滤波电路连接ADC模数转换电路，所述ADC数模转换电路连接可编程逻辑门阵列及数字控制电路，所述数字控制电路连接DAC数模转换电路，所述DAC数模转换电路连接信号反馈控制电路，所述信号反馈控制电路连接所述的反馈电极，该电路结构具有稳定性好、准确性高、精度高、体积小、易于集成等特点。

Description

基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路及方法

技术领域

本发明涉及微光机电系统及惯性导航器件、模拟及数字电路，特别是涉及一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路及方法。

背景技术

石英半球谐振陀螺仪是在MEMS(微机电系统)的基础上发展出来的一种微惯性器件。通过MEMS加工技术为基础，实现单轴石英半球谐振陀螺仪。该类器件兼具了MEMS器件尺寸小、质量轻、成本低、易集成等优点，是一种非常先进的陀螺仪。由半球壳谐振子构成的石英半球谐振陀螺无高速旋转的部件,加之材料的稳定性和结构的对称性,使其具有许多突出的优点,是目前精度最高的哥氏振动陀螺。石英半球谐振陀螺在许多应用领域具有较强的优势,例如具有抗核辐射能力,断电后一段时间内仍可继续工作等,这是其它陀螺所不具备的特性。因此，半球谐振陀螺在惯性导航、制导、姿态稳定控制和惯性测量等领域中具有广阔的应用前景。

石英半球谐振陀螺仪的控制电路主要以力再平衡控制电路为主，主要通过模拟电路实现对石英半球谐振陀螺仪的控制，读出石英半球谐振陀螺仪的输出角速度。但是由于模拟电路受到温度、湿度外部环境的干扰导致测量时存在较大的误差，这种方法在实际测量中会造成测量结果与真实值之间偏差过大，不是测量角速度的最佳方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，该电路结构的特点为模拟电路与数字化电路相结合，结合现场可编程逻辑门阵列及算法控制电路，抛弃原有的力再平衡控制电路模式，对原有的电路进行改进，提高了石英半球谐振陀螺的输出带宽和精度，增强了石英半球谐振陀螺的稳定性。

本发明的另一目的是提供一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，跟传统的石英半球谐振陀螺力再平衡控制模式方法相比，具有稳定性好、准确性高、精度高等特点。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，包括石英半球谐振陀螺罩子及套装在所述石英半球谐振陀螺罩子里面的石英半球谐振陀螺、检测电极、反馈电极、模拟环形二极管放大滤波电路、ADC模数转换电路、可编程逻辑门阵列及数字控制电路、DAC数模转换电路、信号反馈控制电路；

所述石英半球谐振陀螺周围均匀间隔布置有检测电极和反馈电极，所述检测电极连接模拟环形二极管放大滤波电路，所述模拟环形二极管放大滤波电路连接ADC模数转换电路，所述ADC数模转换电路连接可编程逻辑门阵列及数字控制电路，所述数字控制电路连接DAC数模转换电路，所述DAC数模转换电路连接信号反馈控制电路，所述信号反馈控制电路连接所述的反馈电极；

所述模拟环形二极管放大滤波电路用于将检测电极输出的电压信号进行放大滤波；所述ADC模数转换电路用于将模拟环形二极管放大滤波电路放大滤波后的信号转换成数字信号；所述DAC数模转换电路用于将可逻辑编程阵列输出的数字信号转换成模拟信号；所述信号反馈控制电路用于将DAC数模转换电路输出的数字信号反馈到反馈电极上，从而形成闭环回路。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，所述检测电极包括四个X 轴检测电极和四个Y轴检测电极，所述反馈电极间隔设置在检测电极中间，十六个电极分别分布在石英半球谐振陀螺的0°、22.5°、45°、66.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、 180°、202.5°、225°、244.5°、270°、292.5°、315°、337.5°方向,其中包括0°方向的X轴检测电极Vs1+，90°方向的X轴检测电极Vs2+，180°方向的X轴检测电极Vs1-， 270°方向的X轴检测电极Vs2-；45°方向的Y轴检测电极Vs3+，315°方向的Y轴检测电极Vs4+，135°方向的Y轴检测电极Vs3-，225°方向的Y轴检测电极Vs4-；22.5°方向和112.5°方向的第一组反馈电极Vf1+，Vf1-，66.5°方向和157.5°方向的第二组反馈电极Vf2+，Vf2-，202.5°方向和292.5°方向的第三组反馈电极Vf3+，Vf3-，244.5°方向和337.5°方向的第四组反馈电极Vf4+，Vf4-。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，所述模拟环形二极管放大滤波电路的输入端采用双路差分信号输入，两路输入端与接地端GND之间通过两个并联的电阻和电容组成低通滤波器用于过滤掉无用信号，两路输入端之间串联一个放大电阻用于将输入的电压信号放大，所述模拟环形二极管放大滤波电路共有四路，其中X轴检测Vs1+和Vs1-输出的电压信号Va+和Va-送入第一路环形二极管放大滤波电路的输入端 VIN1+和VIN1-输出放大滤波后的信号Va；X轴检测电极Vs2+和Vs2-输出的电压信号Vb+ 和Vb-送入第二路环形二极管放大滤波电路的输入端VIN2+和VIN2-输出放大滤波后的信号Vb；Y轴检测电极Vs3+和Vs3-输出的电压信号Vc+和Vc-送入第三路环形二极管放大滤波电路的输入端VIN3+和VIN3-输出放大滤波后的信号Vc；Y轴检测电极Vs4+和Vs4- 输出的电压信号Vd+和Vd-送入第四路环形二极管放大滤波电路的输入端VIN4+和VIN4- 输出放大滤波后的信号Vd。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，所述ADC模数转换电路由 4路ADC组成，其中信号Va送入第一ADC数模转换电路的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sa；信号Vb送入第二ADC数模转换电路的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sb；信号Vc送入第三ADC 数模转换电路的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sc；信号Vd送入第四ADC数模转换电路的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sd。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，所述可编程逻辑门阵列包括1.2V、2.5V、5V三个电源模块、50M晶振模块、串行配置结构、可编程逻辑单元和可编程输入输出(I/O)；所述数字控制电路包括加法器模块、低通滤波模块、信号转换模块、 PID控制模块、参数转换模块。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，所述DAC数模转换电路用于将可逻辑编程阵列输出的数字信号转换成模拟信号，数字算法控制电路输出的数字信号 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，分别送入第一DAC数模转换电路、第二DAC数模转换电路、第三DAC数模转换电路、第四DAC数模转换电路、第五DAC数模转换电路、第六DAC数模转换电路、第七DAC数模转换电路、第八DAC数模转换电路的输入端，通过DAC转换模块中输入的二进制数码存入寄存器，再经放大器放大后得到与之对应的模拟电压，实现数字量与模拟量的转换，得到八个输出的模拟信号Vf1、Vf2、Vf3、Vf4、 Vf5、Vf6、Vf7、Vf8。

一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，该方法为：将模数转换后的四路信号Sa、Sb、Sc、Sd送入可编程逻辑阵列的加法器模块，其中Sa与Sb相加，得到信号X_a， Sc与Sd相加，得到信号X_b；将加法器模块输出的信号X_a、X_b分别送入低通滤波器模块，对两路信号进行滤波，滤去信号中的白噪声及一些无关信号干扰，得到滤波后的信号X'_a、X'_b；将滤波后的信号X'_a、X'_b送入数字控制电路，通过数字信号之间的转换，分别得到四路信号，即m_x、m_y、n_x、n_y；其中信号m_x、n_x分别代表石英半球谐振子X轴检测电极信号的同相和正交部分；信号m_y、n_y分别代表石英半球谐振子Y轴检测电极信号的同相和正交部分，表述为：

m_x＝acosθcosφ+qsinθsinφ (1)

n_x＝acosθsinφ-qsinθcosφ (2)

m_y＝asinθcosφ-qcosθsinφ (3)

n_y＝asinθsinφ+qcosθcosφ (4)

其中θ为陀螺旋转角度，a为石英半球谐振陀螺的谐振子驻波波腹点振幅，q为波节点振幅，φ为振动信号的相位；

将四路信号进行逻辑运算，得到石英半球谐振陀螺仪的四环路控制信号，即正交Q控制环路、旋转角度θ控制环路、能量E控制环路、锁相环L控制环路，如下所示：

Q＝2(m_xn_y-m_yn_x) (5)

L＝2(m_xm_x+m_yn_y) (8)

将正交控制环路信号、能量控制环路信号、锁相环控制环路信号送入PID控制器模块，通过PID调节使得三路信号保持稳定，即系统的正交信号得到稳定抑制，系统的总能量稳定在某个范围之内，系统的相位保持不变。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，所述正交控制环路用于消除整个电路系统中的正交信号，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_Q(k-1)＝G_Q[Φ_Q(k)] (9)

其中k为迭代系数，

为正交自适应控制器第k次迭代初始误差，Ψ_Q(k-1)为正交自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为正交自适应控制器参数，正交自适应控制器第k次迭代误差e_Q(k)，F_Q(k)为正交控制环路中第k次迭代的正交力，Θ'_Q(k)为第k次迭代的中间变量，G_Q正交回路中正交信号的传递函数。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，所述锁相环控制环路用于消除整个电路系统中的相位，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_L(k-1)＝G_L[Φ_L(k)] (14)

其中k为迭代系数，

为锁相环自适应控制器第k次迭代的初始误差，Ψ_L(k-1)为锁相环自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为锁相环自适应控制器参数，锁相环自适应控制器第k次迭代的误差e_L(k)，F_L(k)为锁相环控制环路中的第k次迭代的力，Θ'_L(k)为锁相环自适应控制器第k次迭代的中间变量，G_L锁相环回路中锁相环信号的传递函数。

所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，所述旋转角度控制环路用于减少整个电路系统中的旋转角度的误差，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

θ'(k)＝θ(k-1)-κΩ'(k-1)t_s (19)

e_θ(k)＝θ(k)-θ'(k) (20)

其中k为迭代系数，θ(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角，θ'(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角中间变量，e_θ(k)为旋转角度自适应控制器第k次迭代的误差变量，Γ'(k)旋转角度自适应控制器的第k次迭代的参数估计值，γ(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量，γ^T(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量的转置矩阵。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，跟传统的石英半球谐振陀螺力再平衡控制模式方法相比，具有稳定性好、准确性高、精度高、体积小、易于集成等特点。

附图说明

图1为本发明的总体电路结构图；

图2为本发明的石英半球谐振陀螺结构图

图3为本发明的电极分布图；

图4为本发明的模拟环形二极管放大滤波电路图；

图5为本发明的ADC模数转换控制电路图；

图6为本发明的可逻辑编程阵列结构图；

图7为本发明的数字控制电路图；

图8为本发明的自适应控制器电路图；

图9为本发明的DAC数模转换控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱落本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

实施例1：

本发明的一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，由石英半球谐振陀螺罩子(1)、石英半球谐振陀螺(2)，检测电极(19)，反馈电极(20)、模拟环形二极管接口放大滤波电路(21)、ADC模数转换电路(22)、可编程逻辑门阵列(23)及数字控制电路(24)、 DAC数模转换电路(25)、信号反馈控制电路(26)组成。

石英半球谐振子外分布着若干检测电极和反馈电极，其中其中包括0°方向的X轴检测电极Vs1+(3)，90°方向的X轴检测电极Vs2+(5)，180°方向的X轴检测电极Vs1-(4)，270°方向的X轴检测电极Vs2-(6)；45°方向的X轴检测电极Vs3+(7)，315°方向的X 轴检测电极Vs4+(9)，125°方向的X轴检测电极Vs3-(8)，225°方向的X轴检测电极Vs4- (10)。其中反馈电极包括22.5°和112.5°第一组反馈电极Vf1+(11)，Vf1-(12)，反馈电极包括66.5°和157.5°第二组反馈电极Vf2+(13)，Vf2-(14)，反馈电极包括202.5°和292.5°第三组反馈电极Vf3+(15)，Vf3-(16)，反馈电极包括244.5°和337.5°第四组反馈电极 Vf4+(17)，Vf4-(18)。

模拟环形二极管接口放大滤波电路(21)用于将谐振器输出微弱的电压信号进行放大，共有四路放大滤波电路，第一路环形二极管放大滤波电路(31)，X轴检测Vs1+和Vs1-连接环形二极管的第一管脚和第三管脚，环形二极管的另两端连接运算放大器的第一管脚和第四管脚，电阻两端连接到运算放大器的二、三管脚，用于控制运算放大器的放大倍数；将运算放大器输出电压信号Va送入第二ADC数模转换电路(35)。

第二路环形二极管放大滤波电路(32)，X轴检测Vs2+和Vs2-连接环形二极管的第一管脚和第三管脚，环形二极管的另两端连接运算放大器的第一管脚和第四管脚，电阻两端连接到运算放大器的二、三管脚，用于控制运算放大器的放大倍数；将运算放大器输出电压信号 Vb送入第二ADC数模转换电路(36)。

第三路环形二极管放大滤波电路(33)，Y轴检测Vs3+和Vs3-连接环形二极管的第一管脚和第三管脚，环形二极管的另两端连接运算放大器的第一管脚和第四管脚，电阻两端连接到运算放大器的二、三管脚，用于控制运算放大器的放大倍数；将运算放大器输出电压信号 Vc送入第三ADC数模转换电路(37)。

第四路环形二极管放大滤波电路(34)，Y轴检测Vs4+和Vs4-连接环形二极管的第一管脚和第三管脚，环形二极管的另两端连接运算放大器的第一管脚和第四管脚，电阻两端连接到运算放大器的二、三管脚，用于控制运算放大器的放大倍数；将运算放大器输出电压信号 Vd送入第四ADC数模转换电路(38)。

具体地，X轴检测Vs1+和Vs1-环形二极管接口放大电路由电阻R₁、滤波电阻R₅、R₆、滤波电容C₁、C₂、运算放大器U₁、环形二极管U₂组成，如图4所示；X轴检测Vs2+和Vs2- 环形二极管接口放大电路由电阻R₂、滤波电阻R₇、R₈、滤波电容C₃、C₄、运算放大器U₃、环形二极管U₄组成，如图4所示；Y轴检测Vs3+和Vs3-环形二极管接口放大电路(23)由电阻R₃、滤波电阻R₉、R₁₀、滤波电容C₅、C₆、运算放大器U₅、环形二极管U₆组成，如图 4所示；Y轴检测Vs4+和Vs4-环形二极管接口放大电路(24)由电阻R₄、滤波电阻R₁₁、R₁₂、滤波电容C₇、C₈、运算放大器U₇、环形二极管U₈组成，如图4所示；Z轴平板结构环形二极管接口放大电路(25)由电阻R₅、运算放大器U₉、环形二极管U₁₀组成，如图4所示。

可选的，ADC模数转化模块(22)用于将环形二极管放大滤波电路输出的四路模拟信号 Va、Vb、Vc、Vd转换成数字信号，其中ADC模数转化模块由4路ADC组成，用于送入可编程逻辑门阵列(2)及数字控制电路(3)中，本发明采用AD7767模数高速高精度转换芯片，其中将环形二极管放大滤波电路输出的电压信号送入AD7767模数转换芯片的输入端，然后经过采样、保持、量化及编码四个过程，对应的数字信号从AD7767的输出端输出，送入可逻辑编程阵列。具体地，将Va、Vb、Vc、Vd四路电压信号信号送入ADC模数转换电路，经采样、保持、量化和编码四个过程的处理，转换成对应的二进制数码数字量输出。首先对输入的电压信号进行采样分析。采样就是利用模拟开关将连续变化的模拟量变成离敢的数字量。由于经采样后形成的数字量宽度较窄，经过保持电路可将窄脉冲展宽，形成梯形波。然后对采样后的信号进行量化，量化就是将阶梯形模拟信号中各个电压值转化为某个最小单位的整数倍，便于用数字量来表示。最后对量化后的信号进行编码，编码就是将量化的结果 (即整数倍值)用二进制数码来表示，这个过程就实现了模数转换。将模数转换后的对应数字信号Sa、Sb、Sc、Sd。其中ADC模数转化模块的原理图如图5所示。

可选的，可编程逻辑门阵列(2)由1.2V(50)、2.5V(51)、5V(52)三个电源模块、 50M晶振模块(53)、串行配置结构(54)、可编程逻辑单元(55)和可编程输入输出(I/O) (56)。

可选的，加法器模块(60)用于将ADC模数转换电路输入的四路信号两两相加，编程两路数字信号。

可选的，低通滤波模块(61)用于将加法器模块输出的两路信号进行滤波，滤去噪声。

可选的，信号转换模块(62)用于将低通滤波模块(61)输出的两路信号进行转换得到，旋转角度控制环路、正交控制环路、锁相环控制环路、能量控制环路信号。

可选的，DAC数模转化模块(25)用于将数字控制电路输出的数字信号信号转换成模拟信号，用于送入信号反馈控制电路(26)中。其中DAC模数转化模块总共由8路DAC数模转换器第一DAC数模转换电路(38)、第二DAC数模转换电路(39)、第三DAC数模转换电路(40)、第四DAC数模转换电路(41)、第五DAC数模转换电路(42)、第六DAC数模转换电路(43)、第七DAC数模转换电路(44)、第八DAC数模转换电路(45)组成，分别对应8个输出的模拟信号Vf1、Vf2、Vf3、Vf4、Vf5、Vf6、Vf7、Vf8。

可选的，信号反馈控制电路(26)用于将DAC输出的数字信号反馈到石英半球谐振陀螺的8个反馈电极上，从而形成基于全角模式下的石英半球谐振陀螺控制电路。其中8路DAC 转换控制电路第一DAC数模转换电路(38)、第二DAC数模转换电路(39)、第三DAC数模转换电路(40)、第四DAC数模转换电路(41)、第五DAC数模转换电路(42)、第六DAC 数模转换电路(43)、第七DAC数模转换电路(44)、第八DAC数模转换电路(45)输出的模拟信号Vf1、Vf2、Vf3、Vf4、Vf5、Vf6、Vf7、Vf8分别通过信号反馈控制电路依次连接到8个反馈电极Vf1+(11)、Vf1-(12)，Vf2+(13)、Vf2-(14)，Vf3+(15)、Vf3-(16)， Vf4+(17)、Vf4-(18)，形成闭环回路。

实施例2：

本实施例是一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，该方法为：首先将模数转换后的四路信号Sa、Sb、Sc、Sd送如可编程逻辑阵列的加法器模块，其中Sa与Sb 相加，得到信号X_a，Sc与Sd相加，得到信号X_b。将加法器模块输出的信号X_a、X_b分别送入低通滤波器模块，对两路信号进行滤波，滤去信号中的白噪声及一些无关信号干扰，得到滤波后的信号X'_a、X'_b。将滤波后的信号X'_a、X'_b送入数字控制电路，通过数字信号之间的转换，分别得到四路信号，即m_x、m_y、n_x、n_y。其中信号m_x、n_x分别代表石英半球谐振子 X轴检测电极信号的同相和正交部分；信号m_y、n_y分别代表石英半球谐振子Y轴检测电极信号的同相和正交部分，可表述为：

m_x＝acosθcosφ+qsinθsinφ (1)

n_x＝acosθsinφ-qsinθcosφ (2)

m_y＝asinθcosφ-qcosθsinφ (3)

n_y＝asinθsinφ+qcosθcosφ (4)

其中θ为陀螺旋转角度，a为石英半球谐振陀螺的谐振子驻波波腹点振幅，q为波节点振幅，φ为振动信号的相位。

将四路信号进行逻辑运算，可以得到石英半球谐振陀螺仪的四环路控制信号，即正交控制环路、旋转角度控制环路、能量控制环路、锁相环控制环路，如下所示：

Q＝2(m_xn_y-m_yn_x) (5)

L＝2(m_xm_x+m_yn_y) (8)

将正交控制环路信号、能量控制环路信号、锁相环控制环路信号送入PID控制器模块，通过PID调节使得三路信号保持稳定，即系统的正交信号得到稳定抑制，系统的总能量稳定在某个范围之内，系统的相位保持不变。将正交控制信号和能量控制信号从PID的输出端送入参数转换模块的输入端，进行坐标转换，可以得到八路输出数字信号S1、S2、S3、S4、S5、 S6、S7、S8，将八路数字输出信号依次送入DAC数模转换电路的输入段，进行数模转换。

正交控制环路自适应算法通过建立一个正交控制自适应控制器来消除整个电路系统中的正交信号。其中正交自适应控制器如图8(a)所示。正交自适应控制器主要有正交控制回路系统和正交自适应控制器组成。其中正交控制回路系统为一个闭环控制系统，正交自适应控制器通过迭代的方法将整个正交控制回路中的正交信号消除，使得石英半球谐振陀螺在正交方向的振动得到抑制，进而实现石英半球谐振陀螺的全角自适应控制。正交控制环路主要有正交环路低通滤波器(70)、正交环路PID控制模块(71)、正交环路放大系数(72)、正交环路正交信号(73)、正交环路自适应控制器(74)组成。其中首先正交信号在收到外界扰动的情况下，通过正交环路低通滤波器，滤掉多余的噪声，然后分别进入正交环路PID控制模块和正交环路自适应控制器。将正交自适应控制器输出的信号和正交环路PID控制模块输出的正交信号作差，得到一个新的正交信号，重复迭代这个过程，直到消除正交控制环路中的正交信号。其中正交自适应控制器主要采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_Q(k-1)＝G_Q[Φ_Q(k)] (9)

其中k为迭代系数，

为正交自适应控制器第k次迭代初始误差，Ψ_Q(k-1)为正交自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为正交自适应控制器参数，正交自适应控制器第 k次迭代误差e_Q(k)，F_Q(k)为正交控制环路中第k次迭代的正交力，Θ'_Q(k)为第k次迭代的中间变量，G_Q正交回路中正交信号的传递函数。

由上述公式迭代过程中可以看出，通过无数次的迭代过程，可以将正交信号彻底消除，保证整体控制电路不受到正交信号的影响，实现正交控制回路的自适应控制。

锁相环控制环路自适应算法通过建立一个锁相环控制自适应控制器来消除整个电路系统中的相位。其中锁相环自适应控制器如图8(b)所示。锁相环自适应控制器主要有锁相环控制回路系统和锁相环自适应控制器组成。其中锁相环控制回路系统为一个闭环控制系统，锁相环自适应控制器通过迭代的方法将整个锁相环控制回路中的相位差消除，使得石英半球谐振陀螺整体控制电路的相位保持稳定，进而实现石英半球谐振陀螺的全角自适应控制。锁相环控制环路主要有锁相环环路低通滤波器(80)、锁相环环路PID控制模块(81)、锁相环环路放大系数(82)、锁相环环路相位信号(83)、锁相环环路自适应控制器(84)组成。其中首先锁相环信号在收到外界相位变化的情况下，通过锁相环环路低通滤波器，滤掉多余的噪声，然后分别进入锁相环环路PID控制模块和锁相环环路自适应控制器。将锁相环自适应控制器输出的相位信号和锁相环环路PID控制模块输出的锁相环相位信号作差，得到一个新的锁相环相位信号，重复迭代这个过程，直到消除锁相环控制环路中的相位差。其中锁相环自适应控制器主要采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_L(k-1)＝G_L[Φ_L(k)] (14)

其中k为迭代系数，

为锁相环自适应控制器第k次迭代的初始误差，Ψ_L(k-1)为锁相环自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为锁相环自适应控制器参数，锁相环自适应控制器第k次迭代的误差e_L(k)，F_L(k)为锁相环控制环路中的第k次迭代的力，Θ'_L(k)为锁相环自适应控制器第k次迭代的中间变量，G_L锁相环回路中锁相环信号的传递函数。由上述公式迭代过程中可以看出，通过无数次的迭代过程，可以彻底校正控制电路中的相位，保证整体控制电路的相位稳定，实现锁相环控制回路对相位的自适应控制。

旋转角度控制环路自适应算法通过建立一个旋转角度自适应控制器来消除整个电路系统中的旋转角度误差。其中旋转角度自适应控制器如图8(c)所示。其中旋转角度控制环路主要有旋转角度自适应控制器(90)、积分器(91)、和旋转角度信号θ组成。当外界有角度信号κΩ输入时，首先将角度信号κΩ送入旋转角度自适应控制器，通过旋转角度自适应控制器内部不断的对变化的旋转角度信号θ进行迭代，和外界输入的角度信号κΩ作差，将作差后的角度信号进行积分，最后得到实际的旋转角度信号。其中旋转角度自适应控制器主要采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

θ'(k)＝θ(k-1)-κΩ'(k-1)t_s (19)

e_θ(k)＝θ(k)-θ'(k) (20)

其中k为迭代系数，θ(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角，θ'(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角中间变量，e_θ(k)为旋转角度自适应控制器第k次迭代的误差变量，Γ'(k)旋转角度自适应控制器的第k次迭代的参数估计值，γ(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量，γ^T(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量的转置矩阵。

由上述公式迭代过程中可以看出，通过无数次的迭代过程，可以输出正确的角度输入信号，从而减小输出误差，提高石英半球谐振陀螺的精度。

本发明采用DA8832数模高速高精度转换芯片。将数字控制电路输出的八路数字信号送入DAC数模转换电路的输入端，输入的二进制数码存入寄存器，存入寄存器的二逬制数，每一位控制着一个模拟开关，模拟开关只有两种可能的输出：或是接地，或是经电阻接基准电压源。它甶寄存器中的二进制数控制，模拟开关的输出送到加法网络，二进制数码的每一位都有一定的”权"，这个网络把每位数码变成它的加权电流，并把各位的权电流加起来得到总电流，将总电流送入放大器，经放大器放大后得到与之对应的模拟电压，实现数字量与模拟量的转换，在DAC数模转换电路的输出端得到DAC数模转换的电路的八个输出模拟信号，依次是Vf1、Vf2、Vf3、Vf4、Vf5、Vf6、Vf7、Vf8，将这八路信号分别通过信号反馈控制电路依次连接到八个反馈电极Vf1+(11)、Vf1-(12)，Vf2+(13)、Vf2-(14)，Vf3+(15)、 Vf3-(16)，Vf4+(17)、Vf4-(18)，形成闭环回路，进而实现对石英半球谐振陀螺仪的全角控制。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：包括石英半球谐振陀螺罩子(1)及套装在所述石英半球谐振陀螺罩子里面的石英半球谐振陀螺(2)、检测电极(19)、反馈电极(20)、模拟环形二极管放大滤波电路(21)、ADC模数转换电路(22)、可编程逻辑门阵列(23)及数字控制电路(24)、DAC数模转换电路(25)、信号反馈控制电路(26)；

所述石英半球谐振陀螺周围均匀间隔布置有检测电极(19)和反馈电极(20)，所述检测电极(19)连接模拟环形二极管放大滤波电路(21)，所述模拟环形二极管放大滤波电路(21)连接ADC模数转换电路(22)，所述ADC数模转换电路(22)连接可编程逻辑门阵列(23)及数字控制电路(24)，所述数字控制电路(24)连接DAC数模转换电路(25)，所述DAC数模转换电路(25)连接信号反馈控制电路(26)，所述信号反馈控制电路(26)连接所述的反馈电极(20)；

所述模拟环形二极管放大滤波电路(21)用于将检测电极(19)输出的电压信号进行放大滤波；所述ADC模数转换电路(22)用于将模拟环形二极管放大滤波电路(21)放大滤波后的信号转换成数字信号；所述DAC数模转换电路(25)用于将可逻辑编程阵列(23)输出的数字信号转换成模拟信号；所述信号反馈控制电路(26)用于将DAC数模转换电路(25)输出的数字信号反馈到反馈电极上，从而形成闭环回路。

2.根据权利要求1所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：所述检测电极(19)包括四个X轴检测电极和四个Y轴检测电极，所述反馈电极(20)间隔设置在检测电极(19)中间，十六个电极分别分布在石英半球谐振陀螺的0°、22.5°、45°、66.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、244.5°、270°、292.5°、315°、337.5°方向,其中包括0°方向的X轴检测电极Vs1+(3)，90°方向的X轴检测电极Vs2+(5)，180°方向的X轴检测电极Vs1-(4)，270°方向的X轴检测电极Vs2-(6)；45°方向的Y轴检测电极Vs3+(7)，315°方向的Y轴检测电极Vs4+(9)，135°方向的Y轴检测电极Vs3-(8)，225°方向的Y轴检测电极Vs4-(10)；22.5°方向和112.5°方向的第一组反馈电极Vf1+(11)，Vf1-(12)，66.5°方向和157.5°方向的第二组反馈电极Vf2+(13)，Vf2-(14)，202.5°方向和292.5°方向的第三组反馈电极Vf3+(15)，Vf3-(16)，244.5°方向和337.5°方向的第四组反馈电极Vf4+(17)，Vf4-(18)。

3.根据权利要求2所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：所述模拟环形二极管放大滤波电路(21)的输入端采用双路差分信号输入，两路输入端与接地端GND之间通过两个并联的电阻和电容组成低通滤波器用于过滤掉无用信号，两路输入端之间串联一个放大电阻用于将输入的电压信号放大，所述模拟环形二极管放大滤波(21)电路共有四路，其中X轴检测Vs1+和Vs1-输出的电压信号Va+和Va-送入第一路环形二极管放大滤波电路(31)的输入端VIN1+和VIN1-输出放大滤波后的信号Va；X轴检测电极Vs2+和Vs2-输出的电压信号Vb+和Vb-送入第二路环形二极管放大滤波电路(32)的输入端VIN2+和VIN2-输出放大滤波后的信号Vb；Y轴检测电极Vs3+和Vs3-输出的电压信号Vc+和Vc-送入第三路环形二极管放大滤波电路(33)的输入端VIN3+和VIN3-输出放大滤波后的信号Vc；Y轴检测电极Vs4+和Vs4-输出的电压信号Vd+和Vd-送入第四路环形二极管放大滤波电路(34)的输入端VIN4+和VIN4-输出放大滤波后的信号Vd。

4.根据权利要求3所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：所述ADC模数转换电路(22)由4路ADC组成，其中信号Va送入第一ADC数模转换电路(35)的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sa；信号Vb送入第二ADC数模转换电路(36)的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sb；信号Vc送入第三ADC数模转换电路(37)的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sc；信号Vd送入第一ADC数模转换电路(38)的输入端，通过采样、保持、量化及编码4个过程，最终得到数字信号Sd。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：所述可编程逻辑门阵列(23)包括1.2V(50)、2.5V(51)、5V(52)三个电源模块、50M晶振模块(53)、串行配置结构(54)、可编程逻辑单元(55)和可编程输入输出(I/O)(56)；所述数字控制电路(24)包括加法器模块(60)、低通滤波模块(61)、信号转换模块(62)、PID控制模块(63)、参数转换模块(64)。

6.根据权利要求5所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制电路，其特征在于：所述DAC数模转换电路(25)用于将可逻辑编程阵列(23)输出的数字信号转换成模拟信号，数字算法控制电路(24)输出的数字信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，分别送入第一DAC数模转换电路(38)、第二DAC数模转换电路(39)、第三DAC数模转换电路(40)、第四DAC数模转换电路(41)、第五DAC数模转换电路(42)、第六DAC数模转换电路(43)、第七DAC数模转换电路(44)、第八DAC数模转换电路(45)的输入端，通过DAC转换模块中输入的二进制数码存入寄存器，再经放大器放大后得到与之对应的模拟电压，实现数字量与模拟量的转换，得到八个输出的模拟信号Vf1、Vf2、Vf3、Vf4、Vf5、Vf6、Vf7、Vf8。

7.一种基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，其特征在于：该方法为：将模数转换后的四路信号Sa、Sb、Sc、Sd送入可编程逻辑阵列的加法器模块，其中Sa与Sb相加，得到信号X_a，Sc与Sd相加，得到信号X_b；将加法器模块输出的信号X_a、X_b分别送入低通滤波器模块，对两路信号进行滤波，滤去信号中的白噪声及一些无关信号干扰，得到滤波后的信号X'_a、X'_b；将滤波后的信号X'_a、X'_b送入数字控制电路，通过数字信号之间的转换，分别得到四路信号，即m_x、m_y、n_x、n_y；其中信号m_x、n_x分别代表石英半球谐振子X轴检测电极信号的同相和正交部分；信号m_y、n_y分别代表石英半球谐振子Y轴检测电极信号的同相和正交部分，表述为：

m_x＝a cosθcosφ+q sinθsinφ (1)

n_x＝a cosθsinφ-q sinθcosφ (2)

m_y＝a sinθcosφ-q cosθsinφ (3)

n_y＝a sinθsinφ+q cosθcosφ (4)

其中θ为陀螺旋转角度，a为石英半球谐振陀螺的谐振子驻波波腹点振幅，q为波节点振幅，φ为振动信号的相位；

将四路信号进行逻辑运算，得到石英半球谐振陀螺仪的四环路控制信号，即正交Q控制环路、旋转角度θ控制环路、能量E控制环路、锁相环L控制环路，如下所示：

Q＝2(m_xn_y-m_yn_x) (5)

L＝2(m_xm_x+m_yn_y) (8)

将正交控制环路信号、能量控制环路信号、锁相环控制环路信号送入PID控制器模块，通过PID调节使得三路信号保持稳定，即系统的正交信号得到稳定抑制，系统的总能量稳定在某个范围之内，系统的相位保持不变。

8.根据权利要求7所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，其特征在于：所述正交控制环路用于消除整个电路系统中的正交信号，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_Q(k-1)＝G_Q[Φ_Q(k)] (9)

其中k为迭代系数，

为正交自适应控制器第k次迭代初始误差，Ψ_Q(k-1)为正交自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为正交自适应控制器参数，正交自适应控制器第k次迭代误差e_Q(k)，F_Q(k)为正交控制环路中第k次迭代的正交力，Θ'_Q(k)为第k次迭代的中间变量，G_Q正交回路中正交信号的传递函数。

9.根据权利要求7所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，其特征在于：所述锁相环控制环路用于消除整个电路系统中的相位，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

Ψ_L(k-1)＝G_L[Φ_L(k)] (14)

其中k为迭代系数，

为锁相环自适应控制器第k次迭代的初始误差，Ψ_L(k-1)为锁相环自适应控制器迭代过程中的迭代状态，

为锁相环自适应控制器参数，锁相环自适应控制器第k次迭代的误差e_L(k)，F_L(k)为锁相环控制环路中的第k次迭代的力，Θ'_L(k)为锁相环自适应控制器第k次迭代的中间变量，G_L锁相环回路中锁相环信号的传递函数。

10.根据权利要求7所述的基于全角模式的石英半球谐振陀螺自适应控制方法，其特征在于：所述旋转角度控制环路用于减少整个电路系统中的旋转角度的误差，采用与卡尔曼滤波相结合的迭代方式，其中迭代过程如下式所述：

θ'(k)＝θ(k-1)-κΩ'(k-1)t_s (19)

e_θ(k)＝θ(k)-θ'(k) (20)

其中k为迭代系数，θ(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角，θ'(k)为旋转角度控制器第k次迭代的旋转角中间变量，e_θ(k)为旋转角度自适应控制器第k次迭代的误差变量，Γ'(k)旋转角度自适应控制器的第k次迭代的参数估计值，γ(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量，γ^T(k-1)为旋转角度自适应控制器第k-1次迭代后的对应回归变量的转置矩阵。

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