CN112595304A - 一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法，控制系统包括半球谐振陀螺和SOC处理模块，SOC处理模块包括多路检测信号通道、多路激励信号通道和SOC处理器。半球谐振陀螺产生振动信号，SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将控制信号输出给半球谐振陀螺；半球谐振陀螺根据SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。本发明能够自适应切换半球谐振陀螺工作模式，两种工作方式相互补充，在保证精度的同时提高陀螺的动态测量范围，极大地拓宽了半球谐振陀螺的应用领域。

Description

一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺系统领域，更具体地，涉及一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航的核心部件，陀螺仪的性能是决定惯性导航系统性能的主要因素。研究高精度，长寿命，满足国防和民用技术中高端需求的陀螺具有重要的理论价值和应用价值。

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro，HRG)是一种新型振动陀螺，它依靠薄壳半球状谐振子在转动时的谐振振型状态变化来对陀螺载体的转动进行检测。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，它在结构上没有高速转子和活动部件，因此不会出现机械磨损，也无需复杂的后期维护工作；不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力。因此，半球谐振陀螺具有良好的发展前景，研究半球谐振陀螺对惯性技术的发展，特别是长寿命的空间应用的实施，有着重大的意义。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统，包括半球谐振陀螺和SOC处理模块，所述SOC处理模块包括多路检测信号通道、多路激励信号通道和SOC处理器；

所述半球谐振陀螺，用于产生振动信号，并将所述振动信号传输至所述SOC处理模块的多路检测信号通道；还用于根据所述SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式；

所述SOC处理模块的多路检测信号通道，用于对半球谐振陀螺检测电极振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；

所述SOC处理模块的多路激励信号通道，用于对SOC处理器的控制信号进行放大，并最终作用到半球谐振陀螺的激励电极上；

所述SOC处理器，用于对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺。

在上述技术方案的基础上，本发明实施例还可以作出如下改进。

进一步的，所述半球谐振陀螺包括半球谐振子、多路检测电极、缓冲放大模块和多路激励电极；

所述半球谐振子，用于产生机械振动信号；

所述多路检测电极，用于将机械振动信号转化为多路电信号；

所述缓冲放大模块，用于对多路电信号进行放大，并将放大后的多路振动信号输入至SOC处理模块的多路检测信号通道；

所述多路激励电极，用于接收SOC处理器输出的多路激励信号。

进一步的，所述SOC处理模块中的每一路检测信号通道包括滤波电路和ADC及其差分电路，所述ADC及其差分电路包括运算放大器、单端转差分芯片和ADC芯片；

所述滤波电路，用于对检测的相应一路振动信号进行滤波处理；

所述ADC及其差分电路，用于对滤波处理后的振动信号进行放大差分处理，并输入至SOC处理器中。

进一步的，所述SOC处理器包括FPGA端和ARM端；

所述FPGA端，用于对多路检测信号通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量，将四个慢变量输出给ARM端；

所述ARM端，用于对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

进一步的，所述FPGA端包括ADC控制模块、混频模块、数字滤波器、锁相环PLL、力合成模块和DAC控制模块，所述ARM端包括组合运算模块、多路PID控制模块和工作模式切换模块；

所述ADC控制模块，用于控制SOC处理模块中的多路检测信号通道中的ADC芯片采样检测每一路振动信号，并将采集的多路振动信号分别输入所述混频模块和所述锁相环PLL；

所述锁相环PLL，用于对多路振动信号进行锁相处理，向所述混频模块输出与振动信号同频、同相的信号，以及向所述力合成模块输出正弦或余弦信号；

所述混频模块，用于根据多路振动信号和所述锁相环PLL输出的信号进行混频处理，输出至所述数字滤波器；

所述数字滤波器，用于对混频处理后的信号进行滤波处理，获得四个慢变量，并获得的四个慢变量输出至所述ARM端的组合运算模块；

所述组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；

所述多路PID控制模块，用于根据组合运算模块的输出进行PID运算，输出幅度控制量、正交控制量和振型角控制量；

所述工作模式切换模块，用于根据判定出的半球谐振陀螺的工作模式，向所述FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号；

所述力合成模块，用于根据所述控制信号和所述锁相环PLL输出的正弦或余弦信号，进行力合成处理，向DAC控制模块输出数字控制量。

进一步的，所述组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，分析半球谐振陀螺的工作模式包括：

将半球谐振陀螺的当前时刻的振型角度于上一时刻的振型角度进行差分处理，得到差分角度；

当差分角度大于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式；当差分角度小于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式；

相应的，所述工作模式切换模块，用于根据分析出的半球谐振陀螺的工作模式，向所述FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号包括：

当半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式时，向所述力合成模块输出第一控制信号，所述第一控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量和正交控制量；

当半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式时，向所述力合成模块输出第二控制信号，所述第二控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量、正交控制量和振型角控制量。

进一步的，所述SOC处理模块还包括多路激励信号通道，每一路激励信号通道包括放大模块和DAC及其外围电路，所述DAC及其外围电路包括DAC芯片和运算放大器；

所述DAC芯片，用于根据所述FPGA端中的DAC控制模块，将所述数字控制量转换为模拟控制量；

所述运算放大器，用于控制所述放大模块对所述模拟控制量进行放大，且将放大后的模拟控制量输出至半球谐振陀螺。

根据本发明的第方面，提供了一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制方法，包括：

半球谐振陀螺产生振动信号，并将所述振动信号传输至SOC处理模块的多路检测信号通道；

SOC处理模块的多路检测信号通道对振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；

SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺；

半球谐振陀螺根据SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

进一步的，所述SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并分析半球谐振陀螺的工作模式包括：

对多路检测信号通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量；

对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统及控制方法，能够自适应切换半球谐振陀螺工作模式，两种工作方式相互补充，在保证精度的同时提高陀螺的动态测量范围，极大地拓宽了半球谐振陀螺的应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统结构图；

图2为SOC处理器的内部结构图；

图3为判断半球谐振陀螺的工作模式的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

半球谐振陀螺的测角方案实质是通过对谐振子振型位置和振幅的测量来实现的，检测电极得到振型信息后再根据半球谐振陀螺的进动理论推算出角度和角速度。目前常用的测角方案主要有全角模式和力平衡模式两种工作模式。力平衡模式半球谐振陀螺属于角速率陀螺，通过力平衡回路抵消Corilos力对陀螺进动状态的影响，并通过控制作用的大小表征Corilos力的大小。根据Corilos力与转速间的比例关系，可以解算得到陀螺及所在载体的转动速率。力平衡模式具有较好的检测精度，但动态范围有限，一般在30°/s以内。全角模式利用半球谐振陀螺进动角度与载体转动角度呈正比这一物理特性，通过实时解算谐振振型的进动角度来直接读取载体的转动角度，满足当前直接读出角度且不会引入累计误差的应用需求。全角模式有较大的动态范围，一般可达500°/s，且动态性能好。但相比较而言，在小测量范围内(力平衡模式量程内)，力平衡模式的精度要优于全角模式。同时全角模式控制较为复杂，由于其振型可以分布于谐振子周向任意角度，因此其误差难以补偿。力平衡模式控制相对简单，振型相对施力电极固定，因此其误差可以通过各种技术手段得到很好的补偿。全角模式可以与力平衡模式相互补充，拓展半球谐振陀螺的应用范围，满足未来空间探索、航空航海、战术武器、消费电子等多个领域的需求。

基于此，本发明实施例提供的一种能够实现半球谐振陀螺的工作模式自适应切换的控制系统，解决半球谐振陀螺系统电路复杂、难度大，精度较低、成本高等不足，解决工作模式单一的缺陷，多种工作模式可自适应切换，扩展了半球谐振陀螺的应用范围。

图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统，该控制系统包括半球谐振陀螺和SOC处理模块，所述SOC处理模块包括多路检测信号通道、多路激励信号通道和SOC处理器。

半球谐振陀螺，用于产生振动信号，并将所述振动信号传输至所述SOC处理模块的多路检测信号通道；还用于根据SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。SOC处理模块的多路检测信号通道，用于对半球谐振陀螺检测电极振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；SOC处理模块的多路激励信号通道，用于对SOC处理器的控制信号进行放大，并最终作用到半球谐振陀螺的激励电极上；SOC处理器，用于对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺。

可以理解的是，半球谐振陀螺主要包括半球谐振陀螺和SOC处理模块，半球谐振陀螺产生振动信号，SOC处理模块对振动信号进行多路采样，并对多路振动信号进行解调运算，解算出半球谐振陀螺运动的幅度量、正交量和实时振型角度。SOC处理模块可根据半球谐振陀螺的实时振型角度，判定出半球谐振陀螺的工作模式。SOC处理模块根据半球谐振陀螺的工作模式，向半球谐振陀螺输出对应的控制信号，以控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。其中，SOC处理模块中的多路激励信号通道对SOC处理器输出的控制信号进行放大，并最终将放大后的控制信号作用于半球谐振陀螺的激励电极上，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

本发明实施例提供的控制系统能够自适应切换半球谐振陀螺工作模式，两种工作方式相互补充，在保证精度的同时提高陀螺的动态测量范围，极大地拓宽了半球谐振陀螺的应用领域。

在一种可能的实施例方式中，半球谐振陀螺包括半球谐振子、多路检测电极、缓冲放大模块和多路激励电极。半球谐振子，用于产生机械振动信号；多路检测电极，用于将机械振动信号转化为多路电信号；缓冲放大模块，用于对多路电信号进行放大，并将放大后的多路振动信号输入至SOC处理模块的多路检测信号通道；多路激励电极，用于接收SOC处理器输出的多路激励信号。

可以理解的是，半球谐振陀螺的半球谐振子镀金属膜处理并施加高压后，与多路检测电极之间可以形成等效电容，机械振动可转换为电信号，经过缓冲放大模块，传输到SOC处理模块的多路检测信号通道。

其中，半球谐振陀螺还包括多路激励电极，每一路激励电极均与半球谐振子连接；每一路激励电极，用于将SOC处理模块中每一路激励信号通道传输的模拟控制量作用于半球谐振子上，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

在一种可能的实施例方式中，SOC处理模块中的每一路检测信号通道包括滤波电路和ADC及其差分电路，ADC及其差分电路包括运算放大器、单端转差分芯片和ADC芯片。

其中，滤波电路，用于对检测的相应一路振动信号进行滤波处理；ADC及其差分电路，用于对滤波处理后的振动信号进行放大差分处理，并输入至SOC处理器中。

可以理解的是，SOC处理模块的检测信号通道对振动信号进行滤波处理，提高信号的信噪比，单端转差分后传输给差分ADC芯片。ADC芯片对振动信号进行采样检测，将采样检测的振动信号传输给SOC处理器。

在一种可能的实施例方式中，SOC处理器包括FPGA端和ARM端。FPGA端，用于对多路检测信号通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量，将四个慢变量输出给ARM端；ARM端，用于对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

可以理解的是，SOC处理器包括FPGA端和ARM端，SOC的FPGA端通过ADC芯片采样振动信号，并基于这些离散信号实现陀螺谐振频率的跟踪。同时对振动信号进行解调，获取四个慢变量Cx，Sx，Cy，Sy。SOC的ARM端通过AXI总线读取FPGA端的四个慢变量，对四个慢变量进行组合运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角度。通过各个环路的PID运算，完成幅度控制和正交控制。

根据半球谐振陀螺的实时振型角度，对半球谐振陀螺的工作模式进行判定，根据半球谐振陀螺不同的工作模式，选择性地完成振型角度控制，输出相应的控制量到FPGA端，进而传输至半球谐振陀螺，以对半球谐振陀螺进行控制。其中，在力平衡模式下，需要对半球谐振陀螺进行幅度控制、正交控制和振型角控制；在全角模式下，只需要对半球谐振陀螺进行幅度控制和正交控制。

在一种可能的实施例方式中，参见图2，SOC处理器的FPGA端包括ADC控制模块、混频模块、数字滤波器、锁相环PLL、力合成模块和DAC控制模块，ARM端包括组合运算模块、多路PID控制模块和工作模式切换模块。

其中，ADC控制模块，用于控制SOC处理模块中的多路检测信号通道中的ADC芯片采样检测每一路振动信号，并将采集的多路振动信号分别输入混频模块和锁相环PLL。锁相环PLL，用于对多路振动信号进行锁相处理，向混频模块输出与振动信号同频、同相的信号，以及向力合成模块输出正弦或余弦信号。

混频模块，用于根据多路振动信号和锁相环PLL输出的信号进行混频处理，输出至数字滤波器；数字滤波器，用于对混频处理后的信号进行滤波处理，获得四个慢变量，并获得的四个慢变量输出至ARM端的组合运算模块。

组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，分析半球谐振陀螺的工作模式；工作模式切换模块，用于根据分析出的半球谐振陀螺的工作模式，向FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号；力合成模块，用于根据控制信号和锁相环PLL输出的正弦或余弦信号，进行力合成处理，向DAC控制模块输出数字控制量。

其中，组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，分析半球谐振陀螺的工作模式包括：将半球谐振陀螺的当前时刻的振型角度于上一时刻的振型角度进行差分处理，得到差分角度；当差分角度大于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式；当差分角度小于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式。

其中，C_X和Sx分别为第一路检测电极的余弦解调信号和正弦解调信号，Cy和Sy分别为第二路电极的余弦解调信号和正弦解调信号，四个慢变量包含陀螺振动状态量的低频信息。

其中，需要说明的是，组合运算模块对四个慢变量的解算过程为：

Q＝2(C_xS_y-C_yS_x)＝aq

S＝2(C_xC_y+S_xS_y)＝(a²-q²)cos2Φ

L＝2(C_xS_x+C_yS_y)＝(a²-q²)sin2ψ′

可得到半球谐振陀螺的幅度量a，正交量q和实时振兴角度Φ。

多路PID控制模块，用于根据组合运算模块的输出进行PID运算，输出幅度控制量、正交控制量和振型角控制量。

相应的，工作模式切换模块，用于根据判定出的半球谐振陀螺的工作模式，向FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号包括：当半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式时，向力合成模块输出第一控制信号，第一控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量和正交控制量。当半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式时，向力合成模块输出第二控制信号，第二控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量、正交控制量和振型角控制量。

力合成模块，用于根据控制信号(第一控制信号和第二控制信号)和锁相环PLL输出的正弦或余弦信号，进行力合成处理，向DAC控制模块输出数字控制量。

可以理解的是，可参见图3，SOC处理器的FPGA端对多路振动信号进行解调，获取四个慢变量，ARM端对四个慢变量进行组合计算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角度，根据半球谐振陀螺的实时振型角度，判定半球谐振陀螺的工作模式。具体为，将半球谐振陀螺的当前时刻的振型角度与上一时刻的振型角度进行差分处理，得到差分角度；当差分角度大于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式；当差分角度小于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式。

ARM端根据半球谐振陀螺的工作模式，进行相应的控制环路PID运算，进行激励力的合成，并输出至FPGA端，以控制半球谐振陀螺进行工作模式的运行。

在一种可能的实施例方式中，SOC处理模块还包括多路激励信号通道，每一路激励信号通道包括放大模块和DAC及其外围电路，DAC及其外围电路包括DAC芯片和运算放大器。

其中，DAC芯片，用于根据FPGA端中的DAC控制模块，将数字控制量转换为模拟控制量；运算放大器，用于控制放大模块对模拟控制量进行放大，且将放大后的模拟控制量输出至半球谐振陀螺。

可以理解的是，SOC处理器的FPGA端对控制量进行调制，将调制后的数字控制量通过DAC芯片转换为模拟控制量。根据半球谐振陀螺激励工作原理，激励电极上需要很大的静电力激励谐振子工作，因此激励信号在进入激励电极之前，需要进行放大，以增强激励力。放大后的静电力最终作用到谐振子上，完成整个系统的闭环控制。

在一种可能的实施例方式中，SOC处理器在单芯片内集成了双核ARM Cortex-A9处理器(一般称为ARM端)和可编程逻辑(一般称为FPGA端)。ARM端支持高精度浮点型运算，FPGA端集成性好、接口速度快，可灵活编程，两者之间通过AXI协议通信，具有性能优良、功耗和成本低的优势。在SOC中进行程序设计时，应充分考虑ARM和FPGA的特性，合理的划分各个功能模块，协同处理。ADC芯片的采样位数至少为14位，若需进一步提高系统精度，可采用更高位数的AD模块。

参见图4，提供了一种半球谐振陀螺工作模式自适应控制方法，包括：401、半球谐振陀螺产生振动信号，并将所述振动信号传输至SOC处理模块的多路检测通道；402、SOC处理模块的多路检测通道对振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；403、SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并分析半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺；404、半球谐振陀螺根据SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

可以理解的是，半球谐振陀螺产生振动信号，SOC处理模块对振动信号进行多路采样，并对多路振动信号进行解调运算，解算出半球谐振陀螺运动的幅度量、正交量和实时振型角度。SOC处理模块可根据半球谐振陀螺的实时振型角度，分析出半球谐振陀螺的工作模式。SOC处理模块根据半球谐振陀螺的工作模式，向半球谐振陀螺输出对应的控制信号，以控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

本发明实施例提供的控制系统能够自适应切换半球谐振陀螺工作模式，两种工作方式相互补充，在保证精度的同时提高陀螺的动态测量范围，极大地拓宽了半球谐振陀螺的应用领域。

在一种可能的实施例方式中，SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并分析半球谐振陀螺的工作模式包括：对多路检测通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量；对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，分析半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

本发明实施例提出的半球谐振陀螺工作模式自适应控制方法为采用前述各实施例提供的半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统对半球谐振陀螺的工作模式进行自适应控制的方法，具体的控制方法可参考前述各实施例提出的半球谐振陀螺工作模式自适应控制系统，在此不再重复说明。

本发明实施例具有以下有益效果：

(1)充分利用SOC处理器中FPGA具备集成性好、接口速度快，ARM端高精度浮点运算的特点，合理划分各个处理模块，FPGA与ARM端数据传输通过AXI总线完成，效率高效，性能可靠。相比传统的DSP+FPGA处理架构，SOC处理架构具备功耗小，性能可靠，处理效率高的优势。

(2)利用解算得到的角速度，自适应切换半球谐振陀螺工作模式，两种工作方式相互补充，在保证精度的同时提高陀螺的动态测量范围，极大地拓宽了半球谐振陀螺的应用领域。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种半球谐振陀螺的工作模式自适应控制系统，其特征在于，包括半球谐振陀螺和SOC处理模块，所述SOC处理模块包括多路检测信号通道、多路激励信号通道和SOC处理器；

所述半球谐振陀螺，用于产生振动信号，并将所述振动信号传输至所述SOC处理模块的多路检测信号通道；还用于根据所述SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式；

所述SOC处理模块的多路检测信号通道，用于对半球谐振陀螺检测电极振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；

所述SOC处理模块的多路激励信号通道，用于对SOC处理器的控制信号进行放大，并最终作用到半球谐振陀螺的激励电极上；

所述SOC处理器，用于对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺包括半球谐振子、多路检测电极、缓冲放大模块和多路激励电极；

所述半球谐振子，用于产生机械振动信号；

所述多路检测电极，用于将机械振动信号转化为多路电信号；

所述缓冲放大模块，用于对多路电信号进行放大，并将放大后的多路振动信号输入至SOC处理模块的多路检测信号通道；

所述多路激励电极，用于接收SOC处理器输出的多路激励信号。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述SOC处理模块中的每一路检测信号通道包括滤波电路和ADC及其差分电路，所述ADC及其差分电路包括运算放大器、单端转差分芯片和ADC芯片；

所述滤波电路，用于对检测的相应一路振动信号进行滤波处理；

所述ADC及其差分电路，用于对滤波处理后的振动信号进行放大差分处理，并输入至SOC处理器中。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述SOC处理器包括FPGA端和ARM端；

所述FPGA端，用于对多路检测信号通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量Cx，Sx，Cy，Sy，其中Cx和Sx分别为第一路检测电极的余弦解调信号和正弦解调信号，Cy和Sy分别为第二路电极的余弦解调信号和正弦解调信号，四个慢变量包含陀螺振动状态量的低频信息，FPGA端将四个慢变量输出给ARM端；

所述ARM端，用于对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述FPGA端包括ADC控制模块、混频模块、数字滤波器、锁相环PLL、力合成模块和DAC控制模块，所述ARM端包括组合运算模块、多路PID控制模块和工作模式切换模块；

所述ADC控制模块，用于控制SOC处理模块中的多路检测信号通道中的ADC芯片采样检测每一路振动信号，并将采集的多路振动信号分别输入所述混频模块和所述锁相环PLL；

所述锁相环PLL，用于对多路振动信号进行锁相处理，向所述混频模块输出与振动信号同频、同相的信号，以及向所述力合成模块输出正弦或余弦信号；

所述混频模块，用于根据多路振动信号和所述锁相环PLL输出的信号进行混频处理，输出至所述数字滤波器；

所述数字滤波器，用于对混频处理后的信号进行滤波处理，获得四个慢变量，并获得的四个慢变量输出至所述ARM端的组合运算模块；

所述组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；

所述多路PID控制模块，用于根据组合运算模块的输出进行PID运算，输出幅度控制量、正交控制量和振型角控制量；

所述工作模式切换模块，用于根据判定出的半球谐振陀螺的工作模式，向所述FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号；

所述力合成模块，用于根据所述控制信号和所述锁相环PLL输出的正弦或余弦信号，进行力合成处理，向DAC控制模块输出数字控制量。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述组合运算模块，用于根据所述四个慢变量，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，分析半球谐振陀螺的工作模式包括：

将半球谐振陀螺的当前时刻的振型角度于上一时刻的振型角度进行差分处理，得到差分角度；

当差分角度大于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式；当差分角度小于力平衡角速度阈值时，设置半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式；

相应的，所述工作模式切换模块，用于根据分析出的半球谐振陀螺的工作模式，向所述FPGA端的力合成模块输出对应的控制信号包括：

当半球谐振陀螺的工作模式为全角工作模式时，向所述力合成模块输出第一控制信号，所述第一控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量和正交控制量；

当半球谐振陀螺的工作模式为力平衡工作模式时，向所述力合成模块输出第二控制信号，所述第二控制信号包括半球谐振陀螺的幅度控制量、正交控制量和振型角控制量。

7.根据权利要求5或6所述的控制系统，其特征在于，所述SOC处理模块还包括多路激励信号通道，每一路激励信号通道包括放大模块和DAC及其外围电路，所述DAC及其外围电路包括DAC芯片和运算放大器；

所述DAC芯片，用于根据所述FPGA端中的DAC控制模块，将所述数字控制量转换为模拟控制量；

所述运算放大器，用于控制所述放大模块对所述模拟控制量进行放大，且将放大后的模拟控制量输出至半球谐振陀螺。

8.一种半球谐振陀螺的工作模式自适应控制方法，其特征在于，包括：

半球谐振陀螺产生振动信号，并将所述振动信号传输至SOC处理模块的多路检测信号通道；

SOC处理模块的多路检测信号通道对振动信号进行采样检测，将采样检测的多路振动信号传输至SOC处理器；

SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，将对应的控制信号输出给半球谐振陀螺；

半球谐振陀螺根据SOC处理器输出的控制信号，控制半球谐振陀螺工作于相应的工作模式。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述SOC处理器对多路振动信号进行解调运算，得到半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并分析半球谐振陀螺的工作模式包括：

对多路检测信号通道采集的多路振动信号进行解调，得到四个慢变量；

对四个慢变量进行组合运算，解算出半球谐振陀螺的幅度量、正交量和实时振型角，并根据半球谐振陀螺的实时振型角，判定半球谐振陀螺的工作模式；以及根据半球谐振陀螺的工作模式，输出对应的控制信号至半球谐振陀螺。

Images