CN113587954B - 一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。本发明方法通过拟合计算并且实时补偿，能够有效的抑制阻尼不均匀带来的漂移误差，通过周期积分技术，能从根本上消除拟合补偿后环路中存在的比例因子误差和残留的正余弦误差，克服阻尼不均匀误差会带来强烈的角度依赖性的问题，从而可以提高陀螺的控制精度。本发明系统包括电容驱动与检测模块、AD数据采集模块、乘法相干解调模块、误差参量辨识模块、幅值相位控制回路模块、拟合计算模块、周期积分模块、驱动合成与控制模块以及DAC数模转换模块；本发明的技术方案解决了全角下半球谐振陀螺阻尼不均匀带来的漂移误差的技术问题。

Description

一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统

技术领域

本发明涉及惯性仪表控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。

背景技术

半球谐振陀螺的控制方式主要有两种：力平衡模式和全角模式。国内研究全角模式半球谐振陀螺相对较少，前人研究的大部分都是力平衡模式，对全角模式认识不够，理论与实验不系统不深入，存在诸多的问题还未能解决。目前，谐振子阻尼不均匀是半球谐振陀螺全角模式下首要的问题，由于全角模式下，驻波在圆周方向自由进动，阻尼不均匀误差会带来强烈的角度依赖性，且阻尼不均匀误差随驻波方位角呈周期性变化，极大影响了陀螺的工作性能，必须予以解决。

尽管国内外针对半球谐振陀螺在全角模式下阻尼不均匀误差补偿的问题开展了许多研究工作，但是还存在诸多问题：阻尼不均匀误差补偿手段太过单一，实时补偿性也不够好，多种误差因素耦合在一起会给补偿带来较大的困难，而且国际上核心内容公开较少。

目前，针对半球谐振陀螺在全角模式下的阻尼不均匀误差补偿的问题，美国密西根大学Najafi等人提出了一种“六力控制”的补偿方法，仿真结果表明，“六力控制”的补偿方法可以使陀螺仪的角度依赖漂移误差降低两个数量级以上，但是理论推导方面还不清晰,而且实验方面补偿效果不明显；莫斯科国立大学Dmitry I.Bugrov等提出了一种虚拟旋转的补偿控制方法，该方法可以解决角速度闭锁问题，但是对于补偿阻尼不均匀带来的角度漂移来讲，要求虚拟旋转的速度很高，另外会引入其他的耦合误差。

发明内容

根据上述提出全角下半球谐振陀螺阻尼不均匀带来的漂移误差的技术问题，而提供一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。本发明通过拟合计算并且实时补偿，能够有效的抑制阻尼不均匀带来的漂移误差，通过周期积分技术，能从根本上消除拟合补偿后环路中存在的比例因子误差和残留的正余弦误差，从而可以提高陀螺的控制精度。

本发明采用的技术手段如下：

一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，包括如下步骤：

S1、消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

S2、通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；

S3、采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

S4、将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

S5、根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

S6、基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

S7、计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

S8、消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

S9、将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

S10、将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

进一步地，所述步骤S2中：

所述驱动电极包括0°驱动电极和45°驱动电极，用于为谐振子振动提供所需要的能量；

所述检测电极包括90°检测电极和135°检测电极，用于测量半球谐振子进动角的变化。

进一步地，所述步骤S4的具体实现过程如下：

S41、假设90°检测电极和135°检测电极检测出的信号分别为x和y，假设两个解调参考信号分别为V_c和V_s；

S42、将两个检测电极出来的信号x和y与同频同相的两个解调参考信号V_c和V_s进行乘法解调，如下：

V_c＝2×cos(ωt+φ)

V_s＝2×sin(ωt+φ)

C_x＝LPF(V_c×x)

C_y＝LPF(V_c×y)

S_x＝LPF(V_s×x)

S_y＝LPF(V_s×y)

其中，ω表示谐振频率，φ表示解调参考信号与真实谐振信号的相位差，根据上式得到四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y。

进一步地，所述步骤S5的具体实现过程如下：

S51、将步骤S42中得到的四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y进行组合运算，计算得到5个谐振振动状态量E、Q、S、R、L，计算公式如下：

Q＝2(C_xS_y-C_yS_x)

S＝2(C_xC_y+S_xS_y)

L＝2(C_xS_x+C_yS_y)

其中，E表示谐振振型的能量，Q表示波节点振幅，S和R表示进动角函数，L表示频率控制变量；

S52、计算进动角θ：

S53、计算参考信号与真实谐振信号的相位差φ：

S54、将谐振振型的能量E、波节点振幅Q以及参考信号与真实谐振信号的相位差φ分别作为幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路的输入，并分别与相对应的预设值相减得到误差项。

进一步地，所述步骤S6的具体实现过程如下：

所述锁相环控制回路将相位差φ抑制为0，实现稳频；

所述幅值控制回路将波幅点振幅控制到预设目标值，实现稳幅；

所述正交控制回路将波节点振幅抑制为0。

进一步地，所述步骤S7的具体实现过程如下：

S71、通过转台主动旋转或通过向陀螺的控制电极施加一个虚拟旋转的力f_qs0使其驻波进动；

S72、通过幅值控制回路方程将E信号控制到目标常值E₀，幅值控制回路方程如下：

其中，τ表示衰减时间常数，Δ(1/τ)表示阻尼不均匀缺陷，θ_τ表示阻尼不均匀带来的进动角误差，f_as表示E经PID控制出的控制力；

S73、将幅值控制回路方程变换成如下形式：

由上式得到力f_as和进动角的关系曲线，通过曲线的振幅得到Δ(1/τ)，曲线的初始相位即为θ_τ；

S74、基于正交控制，通过驻波进动误差方程计算力f_qs1，驻波进动误差方程如下：

其中，驻波进动误差方程如下：

S75、将力f_qs1经过驱动合成与控制模块施加到半球谐振子的控制电极上；

S76、对补偿力f_qs进行实时更新，先利用卡尔曼滤波的方法对前面拟合出的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差进行多次检测与估计，通过观测记录一周期内驻波进动角与f_as的关系，拟合出该周期内的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差，再通过驻波进动误差方程解算出力f_qs2，f_qs2更新f_qs1驱动控制谐振子驻波进动，以此类推，随着驻波周期进动实时更新补偿力f_qs，以此补偿阻尼不均匀带来的误差。

进一步地，所述步骤S8的具体实现过程如下：

S81、为了确保时间的平均值和角度的平均值一致，让θ随时间t线性变化：

θ＝Ω_ct+C^te

S82、计算偏差积分在T_c期间的平均漂移：

S83、消除比例因子误差Δ_SF，Ω_c必须每隔一段时间T_c后，在步骤S81中的公式中进行交替，因此比例因子误差引起的偏差变成是一个周期为2T_c和零均值的交替信号：

最后在周期上对残留的正余弦误差Ω_b积分，即可消除。

进一步地，所述步骤S10的具体实现过程如下：

S101、将E经PID控制出的控制力f_as，Q经PID控制得到的控制力f_qc，锁相环控制回路得到的相位差

和解算出的进动角θ以及实时补偿力f_qs进行调制合成，公式如下：

f_x＝f_ascosθsin(ωt+φ(t))-f_qcsinθcos(ωt+φ(t))-f_qssinθsin(ωt+φ(t))

f_y＝f_assinθsin(ωt+φ(t))+f_qccosθcos(ωt+φ(t))+f_qscosθsin(ωt+φ(t))

S102、将调制合成的直流和交流电压经过高压放大部分后施加到半球谐振子的0°驱动电极和45°驱动电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

本发明还提供了一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制系统，包括：

误差消除模块，用于消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

电容驱动与检测模块，通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；

AD数据采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

乘法相干解调模块，用于将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

误差参量辨识模块，用于根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

幅值相位控制回路模块，基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

拟合计算模块，用于计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

周期积分模块，用于消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

驱动合成与控制模块，用于将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

以及DAC数模转换模块，用于将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，通过拟合计算并且实时补偿，能够有效的抑制阻尼不均匀带来的漂移误差，从而提高陀螺的控制精度。

2、本发明提供的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，通过周期积分技术，能从根本上消除拟合补偿后环路中存在的比例因子误差和残留的正余弦误差，克服阻尼不均匀误差会带来强烈的角度依赖性的问题，为提高半球谐振陀螺的精度提供了一种有效的方法。

基于上述理由本发明可在惯性仪表控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例提供的系统框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，包括如下步骤：

S1、消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

S2、通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，分别用于为谐振子振动提供所需要的能量和测量半球谐振子进动角的变化；

S3、采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

S4、将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

S5、根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

S6、基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

S7、计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

S8、消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

S9、将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

S10、将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

综上，步骤S1和步骤S2将半球谐振陀螺激励起振，步骤S3到步骤S10构成了检测-解调-控制-拟合实时补偿-周期积分-驱动合成的完整的闭合回路控制，维持全角半球谐振陀螺长期的稳定运行。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2中：

所述驱动电极包括0°驱动电极和45°驱动电极，用于为谐振子振动提供所需要的能量；

所述检测电极包括90°检测电极和135°检测电极，用于测量半球谐振子进动角的变化。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4的具体实现过程如下：

S41、假设90°检测电极和135°检测电极检测出的信号分别为x和y，假设两个解调参考信号分别为V_c和V_s；

S42、将两个检测电极出来的信号x和y与同频同相的两个解调参考信号V_c和V_s进行乘法解调，如下：

V_c＝2×cos(ωt+φ)

V_s＝2×sin(ωt+φ)

C_x＝LPF(V_c×x)

C_y＝LPF(V_c×y)

S_x＝LPF(V_s×x)

S_y＝LPF(V_s×y)

其中，ω表示谐振频率，φ表示解调参考信号与真实谐振信号的相位差，根据上式得到四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S5的具体实现过程如下：

S51、将步骤S42中得到的四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y进行组合运算，计算得到5个谐振振动状态量E、Q、S、R、L，计算公式如下：

Q＝2(C_xS_y-C_yS_x)

S＝2(C_xC_y+S_xS_y)

L＝2(C_xS_x+C_yS_y)

其中，E表示谐振振型的能量，Q表示波节点振幅，S和R表示进动角函数，L表示频率控制变量；

S52、计算进动角θ：

S53、计算参考信号与真实谐振信号的相位差φ：

S54、将谐振振型的能量E、波节点振幅Q以及参考信号与真实谐振信号的相位差φ分别作为幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路的输入，并分别与相对应的预设值相减得到误差项。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S6的具体实现过程如下：

所述锁相环控制回路将相位差φ抑制为0，实现稳频；

所述幅值控制回路将波幅点振幅控制到预设目标值，实现稳幅；

所述正交控制回路将波节点振幅抑制为0。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S7的具体实现过程如下：

S71、通过转台主动旋转或通过向陀螺的控制电极施加一个虚拟旋转的力f_qs0使其驻波进动；

S72、通过幅值控制回路方程将E信号控制到目标常值E₀，幅值控制回路方程如下：

其中，τ表示衰减时间常数，Δ(1/τ)表示阻尼不均匀缺陷，θ_τ表示阻尼不均匀带来的进动角误差，f_as表示E经PID控制出的控制力；

S73、将幅值控制回路方程变换成如下形式：

由上式得到力f_as和进动角的关系曲线，通过曲线的振幅得到Δ(1/τ)，曲线的初始相位即为θ_τ；

S74、基于正交控制，通过驻波进动误差方程计算力f_qs1，驻波进动误差方程如下：

其中，驻波进动误差方程如下：

S75、将力f_qs1经过驱动合成与控制模块施加到半球谐振子的控制电极上；

S76、对补偿力f_qs进行实时更新，先利用卡尔曼滤波的方法对前面拟合出的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差进行多次检测与估计，通过观测记录一周期内驻波进动角与f_as的关系，拟合出该周期内的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差，再通过驻波进动误差方程解算出力f_qs2，f_qs2更新f_qs1驱动控制谐振子驻波进动，以此类推，随着驻波周期进动实时更新补偿力f_qs，以此补偿阻尼不均匀带来的误差。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S8的具体实现过程如下：

S81、为了确保时间的平均值和角度的平均值一致，让θ随时间t线性变化：

θ＝Ω_ct+C^te

S82、计算偏差积分在T_c期间的平均漂移：

S83、即使积分为0，由于比例因子误差Δ_SF偏差也可能会很大。因此要先消除比例因子误差Δ_SF，Ω_c必须每隔一段时间T_c后，在步骤S81中的公式中进行交替，因此比例因子误差引起的偏差变成是一个周期为2T_c和零均值的交替信号：

最后在周期上对残留的正余弦误差Ω_b积分，即可消除。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S10的具体实现过程如下：

S101、将E经PID控制出的控制力f_as，Q经PID控制得到的控制力f_qc，锁相环控制回路得到的相位差

和解算出的进动角θ以及实时补偿力f_qs进行调制合成，公式如下：

f_x＝f_ascosθsin(ωt+φ(t))-f_qcsinθcos(ωt+φ(t))-f_qssinθsin(ωt+φ(t))

f_y＝f_assinθsin(ωt+φ(t))+f_qccosθcos(ωt+φ(t))+f_qscosθsin(ωt+φ(t))

S102、将调制合成的直流和交流电压经过高压放大部分后施加到半球谐振子的0°驱动电极和45°驱动电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

对应本申请中的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，本申请还提供了一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制系统，如图2所示，包括：电容驱动与检测模块、AD数据采集模块、乘法相干解调模块、误差参量辨识模块、幅值相位控制回路模块、拟合计算模块、周期积分模块、驱动合成与控制模块以及DAC数模转换模块；其中：

误差消除模块，用于消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

电容驱动与检测模块，通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；

AD数据采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

乘法相干解调模块，用于将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

误差参量辨识模块，用于根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

幅值相位控制回路模块，基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

拟合计算模块，用于计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

周期积分模块，用于消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

驱动合成与控制模块，用于将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

以及DAC数模转换模块，用于将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

对于本发明实施例的而言，由于其与上面实施例中的相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中部分的说明即可，此处不再详述。

本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机指令集，计算机指令集被处理器执行时实现如上文任一实施例所提供的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

S2、通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；

S3、采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

S4、将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

S5、根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

S6、基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

S7、计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

S8、消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

S9、将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

S10、将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

2.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：

所述驱动电极包括0°驱动电极和45°驱动电极，用于为谐振子振动提供所需要的能量；

所述检测电极包括90°检测电极和135°检测电极，用于测量半球谐振子进动角的变化。

3.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S4的具体实现过程如下：

S41、假设90°检测电极和135°检测电极检测出的信号分别为x和y，假设两个解调参考信号分别为V_c和V_s；

S42、将两个检测电极出来的信号x和y与同频同相的两个解调参考信号V_c和V_s进行乘法解调，如下：

V_c＝2×cos(ωt+φ)

V_s＝2×sin(ωt+φ)

C_x＝LPF(V_c×x)

C_y＝LPF(V_c×y)

S_x＝LPF(V_s×x)

S_y＝LPF(V_s×y)

其中，ω表示谐振频率，φ表示解调参考信号与真实谐振信号的相位差，根据上式得到四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y。

4.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S5的具体实现过程如下：

S51、将步骤S42中得到的四个慢变信号C_x、C_y、S_x、S_y进行组合运算，计算得到5个谐振振动状态量E、Q、S、R、L，计算公式如下：

E＝C_x ²+C_y ²+S_x ²+S_y ²

Q＝2(C_xS_y-C_yS_x)

S＝2(C_xC_y+S_xS_y)

L＝2(C_xS_x+C_yS_y)

其中，E表示谐振振型的能量，Q表示波节点振幅，S和R表示进动角函数，L表示频率控制变量；

S52、计算进动角θ：

S53、计算参考信号与真实谐振信号的相位差φ：

S54、将谐振振型的能量E、波节点振幅Q以及参考信号与真实谐振信号的相位差φ分别作为幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路的输入，并分别与相对应的预设值相减得到误差项。

5.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S6的具体实现过程如下：

所述锁相环控制回路将相位差φ抑制为0，实现稳频；

所述幅值控制回路将波幅点振幅控制到预设目标值，实现稳幅；

所述正交控制回路将波节点振幅抑制为0。

6.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S7的具体实现过程如下：

S71、通过转台主动旋转或通过向陀螺的控制电极施加一个虚拟旋转的力f_qs0使其驻波进动；

S72、通过幅值控制回路方程将E信号控制到目标常值E₀，幅值控制回路方程如下：

其中，τ表示衰减时间常数，Δ(1/τ)表示阻尼不均匀缺陷，θ_τ表示阻尼不均匀带来的进动角误差，f_as表示E经PID控制出的控制力；

S73、将幅值控制回路方程变换成如下形式：

由上式得到力f_as和进动角的关系曲线，通过曲线的振幅得到Δ(1/τ)，曲线的初始相位即为θ_τ；

S74、基于正交控制，通过驻波进动误差方程计算力f_qs1，驻波进动误差方程如下：

...

其中，驻波进动误差方程如下：

S75、将力f_qs1经过驱动合成与控制模块施加到半球谐振子的控制电极上；

S76、对补偿力f_qs进行实时更新，先利用卡尔曼滤波的方法对前面拟合出的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差进行多次检测与估计，通过观测记录一周期内驻波进动角与f_as的关系，拟合出该周期内的Δ(1/τ)和θ_τ两项误差，再通过驻波进动误差方程解算出力f_qs2，f_qs2更新f_qs1驱动控制谐振子驻波进动，以此类推，随着驻波周期进动实时更新补偿力f_qs，以此补偿阻尼不均匀带来的误差。

7.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S8的具体实现过程如下：

S81、为了确保时间的平均值和角度的平均值一致，让θ随时间t线性变化：

θ＝Ω_ct+C^te

S82、计算偏差积分在T_c期间的平均漂移：

S83、消除比例因子误差Δ_SF，Ω_c必须每隔一段时间T_c后，在步骤S81中的公式中进行交替，因此比例因子误差引起的偏差变成是一个周期为2T_c和零均值的交替信号：

最后在周期上对残留的正余弦误差Ω_b积分，即可消除。

8.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S10的具体实现过程如下：

S101、将E经PID控制出的控制力f_as，Q经PID控制得到的控制力f_qc，锁相环控制回路得到的相位差

和解算出的进动角θ以及实时补偿力f_qs进行调制合成，公式如下：

f_x＝f_ascosθsin(ωt+φ(t))-f_qcsinθcos(ωt+φ(t))-f_qssinθsin(ωt+φ(t))

f_y＝f_assinθsin(ωt+φ(t))+f_qccosθcos(ωt+φ(t))+f_qscosθsin(ωt+φ(t))

S102、将调制合成的直流和交流电压经过高压放大部分后施加到半球谐振子的0°驱动电极和45°驱动电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

9.一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制系统，其特征在于，包括：

误差消除模块，用于消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；

电容驱动与检测模块，通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；

AD数据采集模块，用于采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；

乘法相干解调模块，用于将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；

误差参量辨识模块，用于根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；

幅值相位控制回路模块，基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；

拟合计算模块，用于计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ_τ参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；

周期积分模块，用于消除比例因子误差Δ_SF和残留的正余弦误差Ω_b，将误差在整个周期上进行积分消除；

驱动合成与控制模块，用于将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；

以及DAC数模转换模块，用于将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法。

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