CN113296397B - 基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置。该方法包括：当陀螺仪得电并在驱动信号的作用下处于工作模态时，泵浦环路给陀螺仪施加泵浦信号，以使陀螺仪在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度增大；泵浦信号的频率为驱动信号的频率的2倍，泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；当陀螺仪的系统响应幅值在驱动信号和泵浦信号的作用下增大至预期值时，泵浦环路将泵浦信号的相位改变至预设的参数抑制区间，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度减小，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，停止施加泵浦信号。采用本方法和装置可以实现陀螺仪的快速起振。

Description

基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置

技术领域

本申请涉及陀螺仪技术领域，特别是涉及一种基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置。

背景技术

启动时间是陀螺仪的关键性能参数之一，表征了陀螺仪在得电后进入稳定工作状态的时长。在实际应用中，我们希望陀螺仪通电后在尽可能短的时间内进入稳定的工作状态，这就必须使陀螺仪快速起振，即尽可能缩短启动时间。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够显著缩短启动时间的基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置。

基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法，所述方法包括：

当陀螺仪得电并在驱动信号的作用下处于工作模态时，给所述陀螺仪施加泵浦信号，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度增大；所述泵浦信号的频率为所述驱动信号的频率的2倍，所述泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；

当陀螺仪的系统响应幅值在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下增大至预期值时，将所述泵浦信号的相位改变至预设的参数抑制区间，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度减小，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，停止施加所述泵浦信号。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：实时获取陀螺仪的工作模态对应的系统响应幅值，当所述系统响应幅值小于预期值，则在所述参数放大区间内调整所述泵浦信号的相位，以增大所述系统响应幅值的变化速度，进而使得所述系统响应幅值达到预期值。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：实时获取陀螺仪的工作模态对应的系统响应幅值，当所述系统响应幅值大于预期值，则在所述参数抑制区间内调整所述泵浦信号的相位，以减小所述系统响应幅值的变化速度，进而使得所述系统响应幅值达到预期条件。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：所述预期值为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的倍数，所述倍数在[0,1]之间取值。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：所述预期条件为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的预设波动范围。

基于参数激励的陀螺仪快速起振的装置，所述装置包括：陀螺仪和控制电路系统；

所述控制电路系统包括：驱动环路和泵浦环路；所述驱动环路包括：锁相模块；所述泵浦环路包括：频率控制模块和相位调制模块；

所述驱动环路用于产生驱动信号，所述锁相模块用于产生驱动信号并获取所述驱动信号的频率输出给所述频率控制模块；所述陀螺仪接收所述驱动信号，并在所述驱动信号的作用下处于工作模态；

所述泵浦环路用于产生泵浦信号，当陀螺仪在驱动信号的作用下处于工作模态时，所述泵浦环路给所述陀螺仪施加泵浦信号；所述频率控制模块用于将所述泵浦信号的频率设定为所述驱动信号的频率的2倍，所述相位调制模块用于将所述泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；

当陀螺仪的系统响应幅值在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下增大至预期值时，所述相位调制模块改变所述泵浦信号的相位至预设的参数抑制区间，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，所述泵浦环路停止施加所述泵浦信号；

所述陀螺仪包括驱动电极、陀螺仪谐振结构和检测电极；所述陀螺仪用于接收所述驱动信号和所述泵浦信号，并在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下振动工作。

在其中一个实施例中，所述驱动环路还包括：恒幅控制模块，所述恒幅控制模块用于控制并维持陀螺仪的振动幅值；

所述泵浦环路还包括：幅值控制模块，所述幅值控制模块用于调整所述泵浦信号的幅值。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：上位机系统；

所述上位机系统包括：参数控制模块和状态监控模块；

所述参数控制模块包括驱动幅值控制单元、激励频率控制单元、泵浦幅值控制单元和泵浦相位控制单元；所述参数控制模块用于根据初始参数或获取到的所述陀螺仪的工作模态输出控制参数给所述控制电路系统；所述控制参数包括所述驱动幅值控制单元输出给所述恒幅控制模块的驱动幅值控制参数、所述激励频率控制单元输出给所述锁相模块的激励频率控制参数、所述泵浦幅值控制单元输出给所述幅值控制模块的泵浦幅值控制参数和所述泵浦相位控制单元输出给所述相位调制模块的泵浦相位控制参数；

所述状态监控模块包括时域响应单元和频域响应单元；所述状态监控模块用于实时监测所述陀螺仪的工作模态并获取工作模态对应的系统响应幅值，判断所述系统响应幅值是否达到预期值，若否，则所述泵浦相位控制单元输出所述泵浦相位控制参数给所述相位调制模块，所述相位调制模块调整所述泵浦信号的相位，以调节所述系统响应幅值的变化速度，进而使得所述系统响应幅值达到预期值，所述泵浦相位控制参数在所述参数放大区间或所述参数抑制区间内。

在其中一个实施例中，所述控制电路系统还包括：

调制解调环路，所述调制解调环路包括调制模块和解调模块；

所述调制模块用于接收所述驱动信号和所述泵浦信号并调制后施加在所述驱动电极上，所述解调模块用于接收所述检测电极检测到的所述工作模态并解调后输出给所述状态监控模块。

在其中一个实施例中，所述陀螺仪包括：电容式陀螺仪、压电式陀螺仪、电磁式陀螺仪、光学陀螺仪和/或热力学陀螺仪。

上述基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置，利用参数激励的技术，通过调节参数激励信号的相位信息来实现对陀螺仪阻尼比的动态调节，进而实现陀螺仪的快速起振。当陀螺仪在驱动信号的作用下处于工作模态时，通过施加泵浦信号，并设定泵浦信号的频率为驱动信号的频率的2倍，设定泵浦信号的相位为预设的参数放大区间，使得陀螺仪在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度增大，从而降低陀螺仪系统的阻尼比，即缩短了陀螺仪的上升时间；当陀螺仪的系统响应幅值增大至预期值时，通过改变泵浦信号的相位至预设的参数抑制区间，使得陀螺仪在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度减小，从而增加陀螺仪系统的阻尼比，即缩短了陀螺仪的调节时间，也减小了超调量；当陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件时，停止施加泵浦信号，使得陀螺仪在驱动信号的作用下的系统响应幅值维持恒定，从而进入稳定的正常工作状态。本发明将陀螺仪起振分为快速上升和快速稳定两个阶段，相较于传统的欠阻尼运动，大大的降低了陀螺仪的启动时间。需要说明的是，启动时间即陀螺仪在得电后直到进入稳定的正常工作状态的时长，包括陀螺仪幅值上升阶段对应的上升时间和幅值稳定阶段对应的调节时间。而且，本发明利用了单一模态效应，简单高效、稳定性好、实用性强。

附图说明

图1为一个实施例中基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法的流程示意图；

图2为一个实施例中基于参数激励的陀螺仪快速起振的装置的示意图；

图3为一个实施例中泵浦信号的相位ϕ对系统响应幅值的影响规律示意图；

图4为一个实施例中泵浦信号的相位ϕ在0°附近对系统响应幅值的影响规律示意图；

图5为一个实施例中陀螺仪在幅值上升阶段使用参数放大下的振动位移幅值上升曲线示意图；

图6为一个实施例中陀螺仪在幅值稳定阶段使用参数抑制下的振动位移幅值稳定曲线示意图。

附图标号：

陀螺仪1，驱动电极11，陀螺仪谐振结构12，检测电极13，控制电路系统2，调制解调环路21，调制模块211，解调模块212，驱动环路22，锁相模块221，恒幅控制模块222，泵浦环路23，频率控制模块231，相位调制模块232，幅值控制模块233，上位机系统3，参数控制模块31，驱动幅值控制单元311，激励频率控制单元312，泵浦幅值控制单元313，泵浦相位控制单元314，状态监控模块32，时域响应单元321，频域响应单元322。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法，包括以下步骤：

步骤102，当陀螺仪得电并在驱动信号的作用下处于工作模态时，给陀螺仪施加泵浦信号，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度增大；泵浦信号的频率为驱动信号的频率的2倍，泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间。

步骤104，当陀螺仪的系统响应幅值在驱动信号和泵浦信号的作用下增大至预期值时，将泵浦信号的相位改变至预设的参数抑制区间，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度减小，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，停止施加泵浦信号。

陀螺仪是典型的二阶系统，其阶跃响应的动态性能指标主要有上升时间t _r 、峰值时间t _p 、最大超调量

、调节时间

等，在实际应用中，一般希望上升时间和调节时间尽量短，最大超调量尽量小。

将其工作模态的动力学方程改写得到二阶系统的典型表达式：

式中：

是二阶系统的阻尼比，

是自然频率。

是二阶系统的一个重要参数，直接决定了系统的动态性能。当ζ= 0时，系统称为无阻尼系统，其瞬态响应为无衰减的等幅周期振荡，振荡频率即为自然频率ω _n ；当0 < ζ<1时，系统称为欠阻尼系统，其瞬态响应是一个按指数规律衰减的振荡过程；当ζ= 1时，系统称为临界阻尼系统，其瞬态响应是一个单调衰减的过程；当ζ> 1时，系统称为过阻尼系统，其瞬态响应是一个指数衰减的过程，不产生振荡。

陀螺仪是典型的欠阻尼系统，其起振过程主要包含两个阶段，即振动位移幅值的上升阶段和振动位移幅值达到目标值后的稳定阶段。

陀螺仪在得电后，工作模态振动位移幅值的上升时间一方面直接由驱动电压的大小决定，驱动电压越大则上升时间越短；另一方面还受到系统的阻尼比的影响，系统阻尼比越小则上升时间越快。

而在实际应用中，驱动电压的大小一般受到输出量程的限制，很难通过提高驱动电压来调节起振时间，而且驱动电压过高会引起系统不稳定，还会增加功耗。因此，可以通过调节系统的阻尼比来实现陀螺仪的快速起振。

一般而言，ζ越小则系统的上升时间越短，而ζ越大则系统的最大超调量越小、调节时间越短。为了使陀螺仪快速起振达到稳定的工作状态，既希望系统的上升时间尽可能短，又希望超调量小、调节时间短。

而在系统中：

式中：Q是系统的品质因子。

品质因子是物理及工程中的无量纲参数，是表示陀螺仪阻尼性质的物理量，也可表示陀螺仪的共振频率相对于带宽的大小，品质因子大表示陀螺仪能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间。

根据ζ与Q的关系，可以采用提升Q值的方法来降低系统的阻尼比，从而使振动位移幅值的上升时间缩短，实现陀螺仪振动幅值的快速上升；采用降低Q值的方法提高系统的阻尼比，从而使调节时间和超调量减小，实现陀螺仪振动幅值的快速稳定。

参数激励是一种周期性改变系统内部参数的激励方法，由此产生的振动形式一般被称为参数振动。参数激励能够从外部以能量输入的方式改变陀螺仪的“等效Q值”，从而改变系统的阻尼比ζ。

在本实施例中，在陀螺仪上施加驱动信号二倍频率的泵浦信号，对陀螺仪的刚度产生二倍频率的动态刚度调制，可以实现参数激励的效果，从而改变系统的阻尼比。

设添加到陀螺仪上的基频驱动信号为

，二倍频泵浦信号为

，那么陀螺仪在参数激励下的动力学方程可以表示为：

其中，

是驱动信号的频率；

是泵浦信号的相位（相对于驱动信号）；H ₁是与作用于电极上的电压信号（包括驱动信号电压和泵浦信号电压）相关的常数，可以产生静电负刚度效应使得陀螺仪的谐振频率减小；H ₂是与泵浦信号电压V _p 成正比的常数；H ₃是与驱动信号电压V _d 成正比的常数。

采用谐波平衡法可以求得其近似的解析解。由于陀螺仪在泵浦信号的作用下仍然呈现出周期运动，不妨假设上述动力学方程的解x(t)是一个周期振动位移，并展开成傅里叶级数如下：

式中：

,

,

均为待定系数，其中k = 1, 2, 3, …，∞。

对于陀螺仪而言，在驱动信号电压V _d (t)和泵浦信号电压V _p (t)的叠加作用下，虽然产生了二倍频刚度调制的效果，但是泵浦信号的作用是放大陀螺仪的响应振幅，而陀螺仪的固有频率仍然是

，所以陀螺仪产生的主共振仍然是频率为

的周期振动。因此，方程的解中所包含的主要谐波成分为：

式中，

，

，将谐波方程代入参数激励下的动力学方程，解得：

从而：

式中，A为陀螺仪在参数激励下的响应幅值，

是陀螺仪在参数激励下的响应相位，

，

。

定义参数放大增益为参数激励下的响应幅值与无参数激励的响应幅值之比，可以得到：

式中，G为参数放大增益。

对于陀螺仪而言，在驱动信号电压不变的情况下，其响应幅值与系统的Q值成正比；而其他条件不变的情况下，参数激励使系统的响应幅值发生了变化，因此可以视为系统的“等效Q值”发生了改变，且参数激励下的“等效Q值”与系统的本征Q值具有如下关系：

式中，

为系统的等效Q值，Q为系统的本征Q值。

陀螺仪系统的响应幅值同时受到泵浦信号的幅值和相位的影响，并且相位条件直接决定了响应幅值是被放大或抑制。泵浦信号的相位是指该信号与驱动信号之间的相位差，通过改变泵浦信号的相位，参数激励可以产生不同的效果：当系统响应幅值增大时，产生了参数放大效果，称之为参数放大，对应的相位区间为参数放大区间；当系统响应幅值缩小时，产生了参数抑制效果，称之为参数抑制，对应的相位区间为参数抑制区间。在泵浦信号的幅值不变的情况下，参数放大增益会随着泵浦信号的相位的变化而变化。当施加的泵浦信号幅值不变时，在参数放大区间内改变相位使系统响应幅值变化最快的相位称为最佳参数放大相位。当施加的泵浦信号幅值不变时，在参数抑制区间内改变相位使系统响应幅值变化最缓的相位称为最佳参数抑制相位。

由于泵浦相位直接决定了参数激励所产生的效果，为了分析相位ϕ对参数激励系统响应幅值的影响，将泵浦电压保持在固定的幅值，陀螺仪在不同相位条件下的幅频响应曲线如图3所示。

可以看到，当ϕ→90°或ϕ→180°时，参数激励的响应幅值比无参数激励更大，这说明该相位条件下产生了参数放大效果；而当ϕ→0°时，参数激励的响应幅值比无参数激励更小，这说明该相位条件下产生了参数抑制效果；此外，相位的改变也会使谐振频率发生偏移。

图4展示了在0°附近的相位ϕ对系统响应幅值的影响规律。

在本实施例中，使用泵浦信号的不同相位实现对起振时间的调控，利用了单一模态效应，不需要满足特定的要求，只要利用锁相环路锁住驱动频率后，不管模态的频率怎么变，都能直接找到它的2倍频并施加2倍频的泵浦信号，实时实现对系统阻尼比的调控，系统控制的难度小、结构简单、容易实现、稳定性很好，且利用单一模态也不会引入其他的信号，排除了干扰、减少了噪声、节约了功耗，系统的动力学特性十分简单。

上述基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法和装置，利用参数激励的技术，通过调节参数激励信号的相位信息来实现对陀螺仪阻尼比的动态调节，进而实现陀螺仪的快速起振。当陀螺仪在驱动信号的作用下处于工作模态时，通过施加泵浦信号，并设定泵浦信号的频率为驱动信号的频率的2倍，设定泵浦信号的相位为预设的参数放大区间，使得陀螺仪在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度增大，从而降低陀螺仪系统的阻尼比，即缩短了陀螺仪的上升时间；当陀螺仪的系统响应幅值增大至预期值时，通过改变泵浦信号的相位至预设的参数抑制区间，使得陀螺仪在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度减小，从而增加陀螺仪系统的阻尼比，即缩短了陀螺仪的调节时间，也减小了超调量；当陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件时，停止施加泵浦信号，使得陀螺仪在驱动信号的作用下的系统响应幅值维持恒定，从而进入稳定的正常工作状态。本发明将陀螺仪起振分为快速上升和快速稳定两个阶段，相较于传统的欠阻尼运动，大大的降低了陀螺仪的启动时间。需要说明的是，启动时间即陀螺仪在得电后直到进入稳定的正常工作状态的时长，包括陀螺仪幅值上升阶段对应的上升时间和幅值稳定阶段对应的调节时间。而且，本发明利用了单一模态效应，简单高效、稳定性好、实用性强。

在其中一个实施例中，方法还包括：实时获取陀螺仪的工作模态对应的系统响应幅值，当系统响应幅值小于预期值，则在参数放大区间内调整泵浦信号的相位，以增大系统响应幅值的变化速度，进而使得系统响应幅值达到预期值。

在其中一个实施例中，方法还包括：实时获取陀螺仪的工作模态对应的系统响应幅值，当系统响应幅值大于预期值，则在参数抑制区间内调整泵浦信号的相位，以减小系统响应幅值的变化速度，进而使得系统响应幅值达到预期条件。

系统响应幅值表征了系统的响应状态，预期值是指该系统响应幅值预先设定好的标准值。

上述设置通过实时获取陀螺仪的工作模态，判断系统响应幅值是否达到预期值，决定是否需要在参数放大区间或参数抑制区间内调整泵浦信号的相位，以调节系统响应幅值的变化速度，进而使系统的响应幅值达到预期条件。实时反馈使驱动信号和泵浦信号的调节形成闭环控制，避免控制偏离，提高控制的效率和准确率。

在其中一个实施例中，方法还包括：预期值为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的倍数，倍数在[0,1]之间取值。

预期振动幅值是指对陀螺仪在信号电压施加下的系统响应幅值能达到的标准值的预判，是在陀螺仪工作前就根据性能等要求预先设定好的，不同种类、型号的陀螺仪的预期振动幅值可以预设为不同的值，同一陀螺仪的预期振动幅值也可以根据不同的需求预设为不同的值，但该预设过程都可以通过现有技术得到。

优选地，预期值为陀螺仪工作模态预期振动幅值的0.707倍。

在本实施例中，预期值为陀螺仪工作模态预期振动幅值的0.707倍，既可以使泵浦信号加快陀螺仪幅值上升速度的效果充分发挥，减小上升时间；又可以避免超调量过大，减小幅值稳定阶段的调节时间。

在其中一个实施例中，方法还包括：预期条件为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的预设波动范围。

预设波动范围是指系统响应幅值在预期振动幅值上下波动的容差区间，容差区间的比例在[0,1.5]内调整，具体可以根据陀螺仪的种类、型号、需求进行预设，例如，可以设定为0.5%，则预设波动范围是预期振动幅值的[0.995, 1.005]倍，当然，也可以设定其他的比例，例如1%。

其他条件不变，容差区间越大，则陀螺仪的启动时间越小；在同样的容差区间内，施加泵浦信号进行调节可以缩短陀螺仪的启动时间，当陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件时，停止施加所述泵浦信号，陀螺仪就可以进入稳定的正常工作状态。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于参数激励的陀螺仪快速起振的装置，包括：陀螺仪1和控制电路系统2；

控制电路系统2包括：驱动环路22和泵浦环路23；驱动环路22包括：锁相模块221；泵浦环路23包括：频率控制模块231和相位调制模块232；

驱动环路22用于产生驱动信号，锁相模块221用于产生驱动信号并获取驱动信号的频率输出给频率控制模块231；陀螺仪1接收驱动信号，并在驱动信号的作用下处于工作模态；

泵浦环路23用于产生泵浦信号，当陀螺仪1在驱动信号的作用下处于工作模态时，泵浦环路23给陀螺仪1施加泵浦信号；频率控制模块231用于将泵浦信号的频率设定为驱动信号的频率的2倍，相位调制模块232用于将泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；

当陀螺仪1的系统响应幅值在驱动信号和泵浦信号的作用下增大至预期值时，相位调制模块232改变泵浦信号的相位至预设的参数抑制区间，直至陀螺仪1的系统响应幅值满足预期条件，泵浦环路23停止施加泵浦信号；

陀螺仪1包括驱动电极11、陀螺仪谐振结构12和检测电极13；陀螺仪1用于接收驱动信号和泵浦信号，并在驱动信号和泵浦信号的作用下振动工作。

在一个实施例中，驱动环路22还包括：恒幅控制模块222，恒幅控制模块222用于控制并维持陀螺仪1的振动幅值；

泵浦环路23还包括：幅值控制模块233，幅值控制模块233用于调整泵浦信号的幅值。

在一个实施例中，装置还包括：上位机系统3；

上位机系统3包括：参数控制模块31和状态监控模块32；

参数控制模块31包括驱动幅值控制单元311、激励频率控制单元312、泵浦幅值控制单元313和泵浦相位控制单元314；参数控制模块31用于根据初始参数或获取到的陀螺仪1的工作模态输出控制参数给控制电路系统2；控制参数包括驱动幅值控制单元311输出给恒幅控制模块222的驱动幅值控制参数、激励频率控制单元312输出给锁相模块221的激励频率控制参数、泵浦幅值控制单元313输出给幅值控制模块233的泵浦幅值控制参数和泵浦相位控制单元314输出给相位调制模块232的泵浦相位控制参数；

状态监控模块32包括时域响应单元321和频域响应单元322；状态监控模块32用于实时监测陀螺仪1的工作模态并获取工作模态对应的系统响应幅值，判断系统响应幅值是否达到预期值，若否，则泵浦相位控制单元314输出泵浦相位控制参数给相位调制模块232，相位调制模块232调整泵浦信号的相位，以调节系统响应幅值的变化速度，进而使得系统响应幅值达到预期值，泵浦相位控制参数在参数放大区间或参数抑制区间内。

在本实施例中，时域响应单元321用于实时监测陀螺仪1的工作模态对应的系统响应幅值，得到时域信号并发送给频域响应单元322，频域响应单元322对收到的时域信号做FFT变换，得到频域信号并发送给参数控制模块31。

在一个实施例中，控制电路系统2还包括：

调制解调环路21，调制解调环路21包括调制模块211和解调模块212；

调制模块211用于接收驱动信号和泵浦信号并调制后施加在驱动电极11上，解调模块212用于接收检测电极13检测到的工作模态并解调后输出给状态监控模块32。

在一个实施例中，陀螺仪1包括：电容式陀螺仪、压电式陀螺仪、电磁式陀螺仪、光学陀螺仪和/或热力学陀螺仪。

本发明的陀螺仪可以使用各种类型的陀螺仪装置，包括但不限于电容式陀螺仪、压电式陀螺仪、电磁式陀螺仪、光学陀螺仪和热力学陀螺仪，在实际过程中，可以根据具体情况选用其中的任意一个，或者几个的集合。

在一个实施例中，基于参数激励的陀螺仪快速起振的装置的工作过程为：基于参数激励的陀螺仪1快速起振的装置通电，陀螺仪1、控制电路系统2和上位机系统3均得电；上位机系统3根据初始参数输出控制参数给驱动环路22，驱动环路22产生基频驱动信号经调制模块211调制后施加在陀螺仪1的驱动电极11上，使陀螺仪1在驱动信号的作用下处于工作模态；陀螺仪1的振动幅值进入上升阶段，上位机系统3输出控制参数给泵浦环路23，泵浦环路23输出二倍频泵浦信号经调制模块211调制后施加在陀螺仪1的驱动电极11上，泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间，使陀螺仪1在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度增大；当陀螺仪1的系统响应幅值增大至预期值时，陀螺仪1的振动幅值进入稳定阶段，泵浦环路23产生的二倍频泵浦信号的相位调整为预设的参数抑制区间，使陀螺仪1在驱动信号和泵浦信号的作用下的系统响应幅值的变化速度减小；检测电极13实时采集陀螺仪1的工作模态，其对应的系统响应幅值信息经解调模块212解调后输出给状态监控模块32，参数控制模块31接收状态监控模块32的信息并实时调整输入给控制电路系统2的控制参数，控制电路系统2输出调整后的信号给陀螺仪1；当陀螺仪1的系统响应幅值满足预期条件，泵浦环路23不再产生泵浦信号，陀螺仪1进入稳定的正常工作状态。

在一个具体的实施例中，在陀螺仪的驱动电极上同时施加驱动信号和泵浦信号，进行参数激励，在幅值上升阶段，保持驱动电压的大小不变，将泵浦信号的相位设定在参数放大区间内，记录不同泵浦信号电压下陀螺仪的幅值上升过程变化曲线，如图5所示。从图中可以看到，随着泵浦信号电压的增大，陀螺仪驱动位移幅值的上升时间t _r 明显缩短。当V _p = 0时的上升时间为t _r1 = 40.9s，而当V _p = 1V时的上升时间缩短至t _r4 = 5.7s。实验结果表明使用参数激励的方法，将泵浦信号的相位设定在适当的区间进行参数放大，确实能够降低系统的阻尼比，从而使得陀螺仪在幅值上升阶段快速响应，对提高陀螺仪性能有着重要意义。

然而，从图5中不难发现，随着泵浦信号电压的增大，系统阻尼比降低，系统的最大超调量和调节时间明显增加了。为此，在陀螺仪的幅值上升到预期振动幅值进入幅值调节阶段时，进行参数激励，将泵浦信号的相位设定在参数抑制区间，记录不同泵浦信号电压下陀螺仪的幅值调节过程变化曲线，如图6所示。从图中可以看到，随着泵浦信号电压的增大，陀螺仪驱动位移幅值的调节时间t _s 明显缩短。当V _p = 0时的调节时间为t _s1 = 16.1s，而当V _p = 1V时的调节时间缩短至t _s4 = 7.3s。此外，随着泵浦信号电压增大，陀螺仪驱动位移幅值的最大超调量也明显降低，这对于陀螺仪具有重要的实际意义。系统的调节时间t _s 和最大超调量σ%都受到阻尼比ζ的影响，ζ越大则t _s 和σ%越小。实验结果表明使用参数激励的方法，将泵浦信号的相位设定在适当的区间进行参数抑制，确实能够增加系统的阻尼比，幅值的超调量减小、调节时间缩短，从而使得陀螺仪在幅值调节阶段迅速稳定。

类似于二阶系统阶跃响应的调节时间，当

时，可得：

式中，A ₁是驱动位移的幅值，Δ取0.02。

由于参数激励产生的效果直接受到泵浦信号的相位的影响，通过调节相位可以分别达到参数放大或参数抑制的目的，在陀螺仪的起振响应控制过程中，将幅值上升阶段的参数放大技术和幅值稳定阶段的参数抑制技术相结合，充分利用了两种技术的优势，同时缩短了上升时间和调节时间，也减小了超调量，实现了陀螺仪的快速起振，解决了一个实际应用中的难题。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.基于参数激励的陀螺仪快速起振的方法，其特征在于，所述方法包括：

当陀螺仪得电并在驱动信号的作用下处于工作模态时，给所述陀螺仪施加泵浦信号，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度增大；所述泵浦信号的频率为所述驱动信号的频率的2倍，所述泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；

当陀螺仪的系统响应幅值在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下增大至预期值时，将所述泵浦信号的相位改变至预设的参数抑制区间，以使陀螺仪的系统响应幅值的变化速度减小，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，停止施加所述泵浦信号；

所述预期值为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的倍数，所述倍数在[0,1]之间取值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述预期条件为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的预设波动范围。

3.基于参数激励的陀螺仪快速起振的装置，其特征在于，所述装置包括：陀螺仪和控制电路系统；

所述控制电路系统包括：驱动环路和泵浦环路；所述驱动环路包括：锁相模块；所述泵浦环路包括：频率控制模块和相位调制模块；

所述驱动环路用于产生驱动信号，所述锁相模块用于产生驱动信号并获取所述驱动信号的频率输出给所述频率控制模块；所述陀螺仪接收所述驱动信号，并在所述驱动信号的作用下处于工作模态；

所述泵浦环路用于产生泵浦信号，当陀螺仪在驱动信号的作用下处于工作模态时，所述泵浦环路给所述陀螺仪施加泵浦信号；所述频率控制模块用于将所述泵浦信号的频率设定为所述驱动信号的频率的2倍，所述相位调制模块用于将所述泵浦信号的相位设定为预设的参数放大区间；

当陀螺仪的系统响应幅值在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下增大至预期值时，所述相位调制模块改变所述泵浦信号的相位至预设的参数抑制区间，直至陀螺仪的系统响应幅值满足预期条件，所述泵浦环路停止施加所述泵浦信号；所述预期值为陀螺仪工作模态的预期振动幅值的倍数，所述倍数在[0,1]之间取值；

所述陀螺仪包括驱动电极、陀螺仪谐振结构和检测电极；所述陀螺仪用于接收所述驱动信号和所述泵浦信号，并在所述驱动信号和所述泵浦信号的作用下振动工作。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述驱动环路还包括：恒幅控制模块，所述恒幅控制模块用于控制并维持陀螺仪的振动幅值；

所述泵浦环路还包括：幅值控制模块，所述幅值控制模块用于调整所述泵浦信号的幅值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：上位机系统；

所述上位机系统包括：参数控制模块和状态监控模块；

所述参数控制模块包括驱动幅值控制单元、激励频率控制单元、泵浦幅值控制单元和泵浦相位控制单元；所述参数控制模块用于根据初始参数或获取到的所述陀螺仪的工作模态输出控制参数给所述控制电路系统；所述控制参数包括所述驱动幅值控制单元输出给所述恒幅控制模块的驱动幅值控制参数、所述激励频率控制单元输出给所述锁相模块的激励频率控制参数、所述泵浦幅值控制单元输出给所述幅值控制模块的泵浦幅值控制参数和所述泵浦相位控制单元输出给所述相位调制模块的泵浦相位控制参数；

所述状态监控模块包括时域响应单元和频域响应单元；所述状态监控模块用于实时监测所述陀螺仪的工作模态并获取工作模态对应的系统响应幅值，判断所述系统响应幅值是否达到预期值，若否，则所述泵浦相位控制单元输出所述泵浦相位控制参数给所述相位调制模块，所述相位调制模块调整所述泵浦信号的相位，以调节所述系统响应幅值的变化速度，进而使得所述系统响应幅值达到预期值，所述泵浦相位控制参数在所述参数放大区间或所述参数抑制区间内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制电路系统还包括：

调制解调环路，所述调制解调环路包括调制模块和解调模块；

所述调制模块用于接收所述驱动信号和所述泵浦信号并调制后施加在所述驱动电极上，所述解调模块用于接收所述检测电极检测到的所述工作模态并解调后输出给所述状态监控模块。

7.根据权利要求3至6任意一项所述的装置，其特征在于，所述陀螺仪包括：电容式陀螺仪、压电式陀螺仪、电磁式陀螺仪、光学陀螺仪或热力学陀螺仪。

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