CN113188535A

CN113188535A - 一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置和方法

Info

Publication number: CN113188535A
Application number: CN202110583433.4A
Authority: CN
Inventors: 卢广锋; 王凡; 王飞
Original assignee: Hunan 2008 Advanced Technology Co ltd
Current assignee: Hunan 2008 Advanced Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明提出一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，包括：用于获得激光陀螺的抖动信号的抖动反馈模块；频率调制模块，其产生的正弦信号被输入到抖动反馈模块来控制激光陀螺的抖动，同时，所述抖动信号被输入到频率调制模块来调整所述正弦信号。本发明还提出一种方法，包括：S1，使用第一信号来激励陀螺抖动，其中所述第一信号为正弦信号；S2，采集陀螺抖动的抖动反馈信号；S3，基于所述抖动反馈信号来调整所述正弦信号的频率，再使用调整后的正弦信号来激励所述激光陀螺，以使得激光陀螺在谐振点稳定工作。本发明的电路采用了频率调制方法，而且元器件少，体积小。

Description

一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置和方法

技术领域

本发明涉及激光陀螺技术领域，更具体地，涉及一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置和方法。

背景技术

激光陀螺是基于Sagnac效应制造的一种敏感惯性角速度的光学器件，它相对于其它类型的陀螺具有精度高、抗恶劣环境能力强、动态范围大以及可靠性高等特点。在激光陀螺中，由于背向散射和非均匀损耗的存在，当输入转速低于某一阈值时，两束相向运动的光频会变得同步，使得激光陀螺无输出信号，此现象被称为激光陀螺的闭锁效应。为了消除闭锁效应，激光陀螺通常采用增加机械抖动的方式，使激光陀螺的死区变为动态死区。采用这种方式的激光陀螺称为机械抖动激光陀螺。机械抖动激光陀螺(简称机抖激光陀螺)作为最早进入实用、也是应用最为广泛的激光陀螺，已经在惯性导航、角度测量等重要领域取得了广泛应用。

现有技术中，专利申请2019110819619“一种基于PSD的机抖激光陀螺抖动检测装置及方法”公开了一种抖动偏频控制技术，是以模拟电路实现的；采用模拟电路控制机械抖动激光陀螺的抖动，元器件的种类多，控制算法和参数调整不方便，使得控制电路板的体积庞大，不利于激光陀螺的小型化和精度提高。有的技术采用部分数字控制(发明专利CN202229762U“一种激光陀螺数字机抖控制电路”)。

发明专利申请20192224244786(“一种机抖激光陀螺仪抖动控制系统抗干扰的方法”)公开的机抖激光陀螺仪抖动控制方法，对陀螺的抖动控制信号进行了处理，该方法在驱动信号中叠加反向干扰信号以消除抖动机构输入信号中的干扰噪声。这种方法的过零检测相位噪声大，信噪比无法保证，且采用了幅度PID运算和相位PID运算，给定特定频率的正弦波，检测相位，改变频率，使得抖动驱动信号与抖动反馈信号相位差等于180度，抖轮振荡，运算方法复杂，会导致控制芯片的运算时间长，装置的处理速度慢。

发明内容

为了背景技术中的问题，本发明提出一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，包括：用于获得激光陀螺的抖动信号的抖动反馈模块；频率调制模块，其产生的正弦信号被输入到抖动反馈模块来控制激光陀螺的抖动，同时，所述抖动反馈模块采集到的激光陀螺的抖动信号被输入到频率调制模块来调整所述正弦信号。

本发明还提出一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法，包括：S1，使用第一信号来激励陀螺抖动，其中所述第一信号为正弦信号；S2，采集陀螺抖动的抖动反馈信号；S3，基于所述抖动反馈信号来调整所述正弦信号的频率，再使用调整后的正弦信号来激励所述激光陀螺，以使得激光陀螺在谐振点稳定工作。

本发明的技术效果包括：控制装置实现全数字化，控制算法和参数调整简单，电路元器件少，体积更小。采用乘法鉴相，噪声小，控制精度更高。只使用频率PID运算控制信号相位并加入噪声使抖轮振荡在谐振点稳定工作。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的装置的原理图。

图2为本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

如图1所示，本发明的装置的原理是产生正弦信号来激励陀螺抖动。陀螺抖动的反馈信号再被采集，然后被用于反馈所述正弦信号，使得激光陀螺在谐振点稳定工作。

具体地，本发明的装置包括：频率调制模块和抖动反馈模块。抖动反馈模块包括：抖动反馈单元、反向放大器、驱动放大器。频率调制模块包括：ADC单元、DAC单元、频率PID控制器。具体地，抖动反馈单元的输出连接到反向放大器。反向放大器的输出连接到ADC单元。抖动反馈单元的反馈信号接入反向放大器被放大，放大的作用是使得ADC单元能够采集到信号数据。

DAC的输出连接到驱动放大器的输入。DAC查找存储在存储器中的正弦表，产生正弦信号来激励陀螺抖动。具体地，DAC查找存储在存储器中的正弦表，发送第一信号y₁(t)送入驱动放大器中，第一信号y₁(t)是一个固定频率和幅度的正弦信号y₁(t)＝sin(ω₀t)。抖动反馈单元接收到驱动放大器输出的抖动驱动信号后，控制陀螺抖轮抖动并输出抖动反馈信号。反向放大器将抖动反馈信号放大，使得MCU的ADC能够采集到抖动反馈信号，ADC输出的第二信号x(t)为抖动反馈信号

ADC单元输出的第二信号x(t)与第三信号y(t)输入到第一乘法器，通过第一乘法器相乘后，输入到低通滤波器LPF。得到当前的相位误差

低通滤波器的输出连接到频率PID控制单元。因此，相位误差err为频率PID控制单元的输入。频率PID控制单元根据相位误差err更改正弦表输出步长λ(表可以下载到MCU中)，生成第三信号y(t)。第三信号y(t)输入和噪声信号到第二乘法器中，第二乘法器的输出连接到DAC中，用于调整DAC输出的正弦信号y₁(t)的频率。如此，通过控制抖动驱动信号的相位，使得抖动驱动信号和抖动反馈信号的相位差逐渐接近90°，当抖动驱动信号和抖动反馈信号的相位差在90°时，系统稳定。

进一步，单纯的抖动偏频会使陀螺频繁进出闭锁区，每次都会产生一个较小的误差，该误差虽小，但随着时间增长而被积累，最终表现为较大的误差，称为动态闭锁误差。为了进一步降低动态闭锁误差，需要在交变抖动中注入一个随机噪声，可以通过噪声输出单元引入，标准噪声谱存储在存储器中，可以通过查表得到并引入，用需要的幅值和噪声谱相乘就可以控制白噪声的幅度。随机噪声对抖动的幅度进行调制，使抖动幅度发生随机变化，从而将进出闭锁区带来的误差随机化，在多个抖动周期内误差的平均值趋于零，从而可以有效减少机抖激光陀螺动态闭锁误差，提高控制精度。本装置在幅度PID控制模块后引入高斯白噪声，噪声信号与第三信号相乘，输入到DAC中。陀螺的精度受多种因素的影响，引入的高斯白噪声幅度可控，能够优化陀螺的精度。

在一个实施方式中，DAC、ADC、低通滤波器、频率PID控制单元可以集成到一个芯片中，作为一个MCU。如此控制过程的运算均用MCU数字芯片运算实现，控制算法和参数调整简单，电路元器件少，体积更小。

根据本发明的另外一个方面，如图2所示，提出一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法。在步骤S1，使用第一信号来激励陀螺抖动，其中所述第一信号为正弦信号。S2，采集陀螺抖动的抖动反馈信号。S3，基于所述抖动反馈信号来调整所述正弦信号的频率，再使用调整后的正弦信号来激励所述激光陀螺，以使得激光陀螺在谐振点稳定工作。

更进一步，在S1中，第一信号y₁(t)是一个固定频率和幅度的正弦信号y₁(t)＝sin(ω₀t)。激光陀螺的抖动反馈单元接收到该第一信号后后，控制陀螺抖轮抖动并输出抖动反馈信号。

S2中，使用反向放大器将抖动反馈信号放大。

在S3中，使用ADC采集所述抖动反馈信号，ADC输出第二信号x(t)，第二信号

将所述第二信号和第三信号相乘，再经过低通滤波器滤波，得到当前的相位误差

然后，进行频率PID控制后查找正弦表得到调整后的正弦信号(频率PID控制单元根据相位误差err更改正弦表输出步长λ)，其中该调整后的正弦信号为所述第三信号。

步骤S3还包括：将第三信号和噪声信号相乘后，经过DAC转换形成步骤S1中的第一信号。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，包括：

用于获得激光陀螺的抖动信号的抖动反馈模块；

频率调制模块，其产生的正弦信号被输入到抖动反馈模块来控制激光陀螺的抖动，同时，所述抖动反馈模块采集到的激光陀螺的抖动信号被输入到频率调制模块来调整所述正弦信号。

2.根据权利要求1所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，所述频率调制模块还包括：

频率PID控制单元，所述频率PID控制单元接收所述抖动反馈模块采集到的所述抖动信号，所述正弦信号随着所述频率PID控制单元的输出信号而变化；

噪声输出单元，所述正弦信号随着所述频率PID控制单元的输出信号和所述噪声输出单元输出的噪声而变化。

3.根据权利要求1所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，所述抖动反馈模块包括：

用于获得激光陀螺的抖动信号的抖动反馈单元、反向放大器和驱动放大器，抖动反馈单元的输出连接到反向放大器，反向放大器的输出连接到所述频率调制模块，所述频率调制模块的输出连接到驱动放大器，驱动放大器的输出连接到抖动反馈单元。

4.根据权利要求3述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，所述频率调制模块包括：

ADC单元、DAC单元、低通滤波器和频率PID控制单元，其中，所述反向放大器的输出连接到ADC单元，ADC单元的输出连接到低通滤波器，低通滤波器的输出连接到频率PID控制单元，频率PID控制单元的输出和噪声输出单元的输出都输入到DAC单元，DAC单元的输出连接到驱动放大器。

5.根据权利要求4所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，ADC单元的输出的第二信号，以及与频率PID控制单元的输出相关的第三信号，输入到第一乘法器中，第一乘法器的输出连接到低通滤波器。

6.根据权利要求5所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制装置，其特征在于，所述第三信号和所述噪声输出单元的输出信号连接到第二乘法器中，所述第二乘法器的输出作为输入信号连接到DAC单元，所述DAC单元的输出信号作为所述正弦信号输入到所述驱动放大器。

7.一种基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法，其特征在于，包括：

S1，使用第一信号来激励陀螺抖动，其中所述第一信号为正弦信号；

S2，采集陀螺抖动的抖动反馈信号；

S3，基于所述抖动反馈信号来调整所述正弦信号的频率，再使用调整后的正弦信号来激励所述激光陀螺，以使得激光陀螺在谐振点稳定工作。

8.根据权利要求7所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法，其特征在于，

在S1中，第一信号是一个固定频率和幅度的正弦信号，激光陀螺的抖动反馈单元接收到该第一信号后，控制陀螺抖轮抖动并输出抖动反馈信号；在S2中，使用反向放大器将抖动反馈信号放大。

9.根据权利要求8所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法，其特征在于，

在S3中，使用ADC采集所述抖动反馈信号，ADC输出第二信号，将所述第二信号和第三信号相乘，再经过低通滤波器滤波，然后进行频率PID控制后查找正弦表得到调整后的正弦信号，其中该调整后的正弦信号为所述第三信号。

10.根据权利要求9所述的基于频率调制的激光陀螺抖动偏频控制方法，其特征在于，

将第三信号和噪声信号相乘后，经过DAC转换形成步骤S1中的所述第一信号。