CN114383590A - 速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法，包括：通过固态振动陀螺的控制环路使固态振动陀螺工作于速率积分模式下；获取谐振子的频差为0、振型角为θ且工作于速率积分模式下的固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

将谐振子的频差增大到设定频差，工作于速率积分模式下的固态振动陀螺在设定频差、振型角为θ情况下，不断调整相位误差补偿参数，使由于相位误差引起的额外角度漂移不断减小，直至测量到的固态振动陀螺阻尼的角度漂移

此时对应的相位误差补偿参数即为满足辨识精度要求的相位误差补偿参数。本发明具有高效、自动化辨识的优势，对于提升陀螺性能具有重要的作用。

Description

速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法

技术领域

本发明涉及固态振动陀螺技术领域，尤其涉及一种速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法。

背景技术

陀螺是检测惯性空间中物体角运动的传感器，是惯性导航系统的核心传感器。根据测量原理的不同，陀螺可分为四类：一是基于角动量守恒的转子陀螺，如液浮陀螺、静电陀螺。转子陀螺能够达到极高的精度，但由于存在旋转部件，使用寿命有限，且体积较大。二是基于Sagnac效应的光学陀螺，包括激光陀螺和光纤陀螺，激光陀螺精度高、使用寿命长，但制造难度大，光纤陀螺精度稍低，但抗过载能力强、成本稍低。三是基于哥氏效应的振动陀螺，如半球谐振陀螺、圆柱谐振陀螺以及MEMS谐振陀螺，其优点是零部件少，使用寿命长，精度覆盖范围广。在诸多种类的陀螺之中，固态振动陀螺以其精度高、重量轻、抗冲击性能好等众多优势，成为了一种新型高精度陀螺。

传统的固态振动陀螺通常工作在速率模式，这种模式下陀螺在驱动力作用下工作在驱动模态，当外界有角速度输出的时候，由于哥氏力的耦合作用，通过解调检测模态的信号便可以敏感角速度。工作于速率模式下的陀螺通常受限于量程、带宽和标度因数线性度等关键性能制约。相比之下，工作于速率积分模式的固态振动陀螺随着外界的角速度输入振型自由进动，因此具有以下的优势：(1)直接的角度输出，避免了速率模式下积分运算带来的误差；(2)极其稳定的标度因数，其标度因数只与谐振结构相关；(3)优异的动态特性，理论上可达到无限的量程和带宽。

尽管速率积分模式拥有诸多优异特性，但是该工作模式对于谐振子和控制回路的对称性有着严格的要求。除了要求谐振子的阻尼和刚度不均匀性尽可能小之外，对其控制电路的相位也有着苛刻的需求。在速率积分控制电路之中，由于存在模拟电路的相位延迟，从而带来相位误差造成陀螺的角度漂移。在速率积分模式下，相位误差的来源主要是模拟电路中的相位延迟带来的，因此分析清楚速率积分模式下存在的相位延迟，进而补偿相位误差，消除速率积分模式下的相位误差影响十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法。该方法具有快速、精度高和自动化程度高等特点，适应于速率积分陀螺的批量化调试过程。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

速率积分陀螺的相位误差辨识方法，包括：

通过固态振动陀螺的控制环路使固态振动陀螺工作于速率积分模式下；

获取谐振子的频差Δf＝0、振型角为θ且工作于速率积分模式下的固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

将谐振子的频差Δf增大到设定频差，工作于速率积分模式下的固态振动陀螺在设定频差、振型角为θ情况下，不断调整相位误差补偿参数，使由于相位误差引起的额外角度漂移

不断减小，直至测量到的固态振动陀螺的角度漂移

此时对应的相位误差补偿参数即为满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c。

另一方面，本发明提供一种速率积分陀螺的相位误差补偿方法，包括：

采用所述速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c；

利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿。

另一方面，本发明提供一种速率积分陀螺的相位误差补偿装置，所述装置采用所述速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c，利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿。

相对于现有技术，本发明能够产生的技术效果是：

本发明基于相位误差的影响机理提出了一整套速率积分模式下的相位误差辨识和补偿的方法。通过对相位误差的影响机理进行分析，不断对比模态匹配(Δf＝0)与不匹配(Δf≠0)情况下的角度漂移，实现对相位误差补偿参数φ_c的快速收敛，从而消除速率积分模式下的相位误差影响。该相位误差辨识方法具有高效、自动化辨识的优势，对于提升陀螺性能具有重要的作用。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图；

图2为本发明一实施例中的速率积分陀螺的相位误差补偿装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例中速率积分陀螺的相位延迟分析图；

图4为本发明一实施例中同频差和相位差下的额外角度漂移图，其中(a)和(b)分别表示在相位误差为2度情况下不同的频差Δf引起的角度漂移的实验结果图和仿真结果图，(c)和(d)分别表示在频差Δf为16mHz的情况下不同的相位误差引起的角度漂移的实验结果图和仿真结果图。

图5为本发明一实施例的流程图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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

参照图1，在本发明一实施例中，提供一种速率积分陀螺的相位误差辨识方法，包括：

(S1)通过固态振动陀螺的控制环路使固态振动陀螺工作于速率积分模式下；

(S2)获取模式匹配(即谐振子的频差Δf＝0)情况下、振型角为θ且工作于速率积分模式下的固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

(S3)将谐振子的频差Δf增大到设定频差，速率积分陀螺在设定频差、振型角为θ情况下，不断调整相位误差补偿参数，使由于相位误差引起的额外角度漂移

不断减小，直至测量到的固态振动陀螺的角度漂移

此时对应的相位误差补偿参数即为满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c。

本发明所述工作于速率积分模式下的固态振动陀螺，即速率积分陀螺。速率积分陀螺的控制环路包括输出幅值控制力的幅值控制环路、输出正交控制力的正交控制环路以及输出振型角控制力的振型角控制环路。

本发明一实施例中，(S2)包括：

(S2.1)通过调整调轴电压和调频电压使谐振子的频差Δf＝0，实现模态匹配；

(S2.2)在模态匹配的情况下，通过振型角控制环路输出振型角控制力使振型角进动至θ；

(S2.3)在模态匹配的情况下且振型角为θ时，保持幅值控制环路、正交控制环路始终工作且断开振型角控制环路，测量速率积分陀螺当前的角速率

由于模态匹配的情况下，谐振子的频差Δf＝0，那么额外角度漂移

这时测量得到的速率积分陀螺当前的角速率

即为由于固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

即

本发明中所述振型角θ根据需要进行任意设置，不是一般性，在本发明一实施例中θ＝45°。

本发明一实施例中，(S3)包括：

(S3.1)通过调整调频电压将谐振子的频差Δf增大到设定频差。在这种情况下相位误差的影响便会重新出现在速率积分陀螺的角度漂移之中，

(S3.2)通过振型角控制环路使振型角进动至θ时，保持幅值控制环路、正交控制环路始终工作且断开振型角控制环路，使速率积分陀螺处于设定频差、振型角为θ的情况下。此时因为同时存在频差和相位误差，因此此时测量到的固态振动陀螺的角度漂移

(S3.3)不断调整相位误差补偿参数，使由于相位误差引起的额外角度漂移

不断减小，直至测量到的固态振动陀螺的角度漂移

此时对应的相位误差补偿参数即为满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c。因此当相位误差被完全补偿的时候，

那么此时

即满足

的时候，便可认为相位误差补偿参数φ_c已经达到预期的辨识效果。

本发明一实施例中，提供一种速率积分陀螺的相位误差补偿方法，采用上述任一实施例中提供的速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c；然后利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿，从而消除了相位误差的影响。

本发明一实施例中，提供一种速率积分陀螺的相位误差补偿装置，所述装置采用上述任一实施例中提供的速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c；然后利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿，从而消除了相位误差的影响。

本发明一实施例中，参照图2，提供一种速率积分陀螺的相位误差补偿装置，包括包括谐振子电极模块、检测与驱动模块、可编程逻辑电路以及直流电源。通过直流电源输出调轴电压和调频电压，调轴电压和调频电压分别作用于谐振子的调轴电极和调频电极上。谐振子电极模块包括谐振子、检测电极、驱动电极，其中检测电极用于谐振子信号检测，驱动电极用于将控制力信号施加到谐振子上。所述检测与驱动模块，包括检测信号处理模块和驱动信号处理模块，检测信号处理模块用于将检测到的谐振子信号进行模数转换，驱动信号处理模块用于将控制力信号进行数模转换。所述可编程逻辑电路，用于接收检测信号处理模块输出的数字信号，并根据所述数字信号进行计算，输出控制力信号。

检测电极检测到的x、y方向的谐振子信号，经检测信号处理模块进行模数转换后输出的x、y方向的数字信号经过调制后得到各自的同相和正交分量C_x、S_x、C_y、S_y，经过计算之后便可以得到响应的控制变量

其中a、q分别为速率积分模式下的陀螺振型的长轴和短轴，E通过PID始终控制为常值用来保持速率积分陀螺的振幅恒定，Q通过PID始终控制为0从而抑制正交误差，

在锁相环中实时被控制到零以跟踪谐振频率，经过PID之后，控制数字振荡器输出标准的正弦与余弦信号用作解调，最后求得振型角θ＝0.5arctan(S/R)。

从而速率积分陀螺的幅值控制环路、正交控制环路以及振型角控制环路的动态方程便可表示为：

其中

和Δω分别为阻尼和刚度不均匀，θ_ω和θ_τ为阻尼轴的方位角，τ为阻尼的平均值，Ω为外部输入的角速度，κ为速率积分陀螺的标度因数。f_as和f_qc分别为幅值控制力和正交控制力，用来保持幅值稳定和抑制正交。f_qs为振型角控制力，用来实现振型角的控制。在速率积分模式，振型角自由进动，即振型角控制力f_qs＝0。在速率积分模式的正常工作下，振型角控制环路处于断开状态，即幅值控制环路、正交控制环路始终工作，振型角控制环路断开。在图2中，在振型角控制环路上设置开关1实现振型角控制环路的断开或者闭合，可以理解该开关1的作用是用于实现振型角控制环路的断开或者闭合，实际应用中无论采用软件方式实现还是采用硬件方式实现均可。

经过PID得到各个控制环路的控制力之后，再经过调制后得到两个电极驱动力(X方向的驱动力f_x和Y方向的驱动力f_y)施加到谐振子电极之上，用来控制速率积分陀螺。那从幅值控制力、正交控制力、振型角控制力到电极驱动力的表达式为：

其中f_ac通常用来控制谐振子的谐振频率，在速率积分模式下f_ac＝0。

在速率积分模式下，相位误差的来源主要是模拟电路中的相位延迟带来的，因此分析清楚速率积分模式下存在的相位延迟十分必要。在速率积分陀螺控制环路中，相位延迟主要存在于述检测与驱动模块中的电容电压转化、解调滤波以及模数转化环节，主要的相位延迟可以表示为图3所示，其中检测信号处理模块中的相位延迟包括电容电压转换相位延迟φ_CV、解调滤波相位延迟φ_DE和模数转换相位延迟φ_AD，这些共同构成检测信号处理模块中的相位延迟Δφ₁＝φ_CV+φ_DE+φ_AD，另外驱动信号处理模块中的相位延迟Δφ₂＝φ_DA。

如果将可编程逻辑电路的输出信号cos(ωt+φ)作为基准，那么经过数模转化之后的B点的相位为cos(ωt+φ+φ_DA)，经过谐振子自身的相位延迟δφ后的C点的相位为cos(ωt+φ+φ_DA+δφ)，经过检测信号处理模块后的相位延迟后的D点的相位为cos(ωt+φ+φ_DA+δφ+φ_CV+φ_DE+φ_AD),即进入可编程电路的相位延迟cos(ωt+φ+Δφ₁+δφ+Δφ₂)，那么检测信号便可表示为

如果仍然使用可编程逻辑电路输出的标准信号cos(ωt+φ)和sin(ωt+φ)进行解调，那么x和y回路的同相和正交信号便可表示为：

其中Δφ＝Δφ₁+Δφ₂+δφ。

类似的上述同相正交分量经过计算之后便可得到实际的控制变量

由上式可知，因为受到相位误差影响后求解出的幅值控制回路的控制变量

还是等于之前没有相位误差的控制变量E。能量控制回路，正交控制环路以及角度计算均不会受到影响。在不存在相位误差的情况下，Δφ等于谐振子的相位延迟δφ并且δφ会被锁相环实时抑制到零保持陀螺的谐振。但是在有相位误差的情况下，Δφ＝Δφ₁+Δφ₂+δφ不再等于谐振子的相位延迟δφ，此时Δφ在锁相环作用下被抑制为零，这种情况下δφ＝-(Δφ₁+Δφ₂)。

在相位误差的作用下，速率积分陀螺的幅值控制环路、正交控制环路以及振型角控制环路的动态方程便可表示为：

其中

和

为存在相位误差时PID的输出。由公式(7)中的最后一项可知，由于相位误差的存在，正交控制环路与角度控制回路相互耦合，最终使正交力产生角度漂移。速率积分陀螺的整体漂移可以表示为

在不考虑阻尼不均匀性的影响下，由于相位误差引起的额外角度漂移便可表示为：

由公式(8)可知，由相位引起的漂移主要与谐振子的频差Δf以及相位误差δφ成正比关系。参见图4，其中(a)和(b)分别表示在相位误差为2度情况下不同的频差Δf引起的角度漂移的实验结果图和仿真结果图，(c)和(d)分别表示在频差Δf为16mHz的情况下不同的相位误差引起的角度漂移的实验结果图和仿真结果图。由图4可知，额外角度漂移会随着频差Δf和相位误差δφ的增大而增大，并且成正比关系。

参照图2和图5，本发明一实施例中，提供一种速率积分陀螺的相位误差辨识方法，包括：

先调整调轴和调频电压实现模态匹配，即Δf＝0。在模态匹配的情况下，闭合开关1使振型角进动至θ，这里以θ＝45°作为例子。图2中通过直流电源输出调轴电压和调频电压，调轴电压和调频电压分别作用于谐振子的调轴电极和调频电极上。

然后断开开关1使振型角控制环路处于断开状态，即幅值控制环路、正交控制环路始终工作，振型角控制环路断开，固态振动陀螺工作于速率积分模式。测量此时的角速率

在模态匹配的情况下Δf＝0，那么额外角度漂移

这样测量得到

接下来，调整调频电压增大频差Δf，在这种情况下相位误差的影响便会重新出现在角度漂移之中，闭合开关1使振型角进动到振型角θ。然后断开开关1，使振型角控制环路处于断开状态，即幅值控制环路、正交控制环路始终工作，振型角控制环路断开，固态振动陀螺工作于速率积分模式。测量此时的角度漂移

此时因为同时存在频差和相位误差，因此

然后不断调整相位误差补偿参数φ_c使

不断减小，当相位误差被完全补偿的时候，

那么此时

即满足

的时候，便可认为相位误差补偿参数φ_c已经达到预期的辨识效果。

如图2所示，速率积分陀螺的相位误差补偿方法，采用上述实施例中提供的率积分陀螺的相位误差辨识方法获得满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c；然后对如图2所示速率积分陀螺的相位误差补偿装置中数字振荡器输出的标准信号cos(ωt+φ)和sin(ωt+φ)进行移相进行，得到用以解调的新的标准信号为cos(ωt+φ+φ_c)和sin(ωt+φ+φ_c)，其中φ_c＝-(Δφ₁+Δφ₂)。经过新的标准信号解调后，公式(5)中的Δφ＝Δφ₁+Δφ₂+δφ便会还原成Δφ＝δφ，然后δφ会被锁相环实时抑制到零保持陀螺的谐振状态，从而消除了相位误差的影响。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，包括：

通过固态振动陀螺的控制环路使固态振动陀螺工作于速率积分模式下；

获取谐振子的频差Δf＝0、振型角为θ且工作于速率积分模式下的固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

将谐振子的频差Δf增大到设定频差，工作于速率积分模式下的固态振动陀螺在设定频差、振型角为θ情况下，不断调整相位误差补偿参数，使由于相位误差引起的额外角度漂移

不断减小，直至测量到的固态振动陀螺的角度漂移

此时对应的相位误差补偿参数即为满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c。

2.根据权利要求1所述的速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，所述固态振动陀螺的控制环路，包括幅值控制环路、正交控制环路和振型角控制环路。

3.根据权利要求2所述的速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，通过调整调轴电压和调频电压使谐振子的频差Δf＝0，实现模态匹配；在模态匹配的情况下，通过振型角控制环路使振型角进动至θ，然后保持幅值控制环路、正交控制环路始终工作且断开振型角控制环路，工作于速率积分模式下的固态振动陀螺当前的角速率

即固态振动陀螺阻尼不均匀性带来的角度漂移

4.根据权利要求3所述的速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，通过直流电源输出调轴电压和调频电压，调轴电压和调频电压分别作用于谐振子的调轴电极和调频电极上。

5.根据权利要求3所述的速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，通过调整调频电压将谐振子的频差Δf增大到设定频差。

6.根据权利要求2所述的速率积分陀螺的相位误差辨识方法，其特征在于，工作于速率积分模式下的固态振动陀螺在设定频差情况下，通过振型角控制环路使振型角进动至θ，然后保持幅值控制环路、正交控制环路始终工作且断开振型角控制环路，使工作于速率积分模式下的固态振动陀螺处于设定频差、振型角为θ的情况下。

7.速率积分陀螺的相位误差补偿方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1或2或3或4或5或6所述速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c；

利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿。

8.速率积分陀螺的相位误差补偿装置，其特征在于，所述装置采用如权利要求1或2或3或4或5或6所述速率积分陀螺的相位误差辨识方法得到满足辨识精度要求的相位误差补偿参数φ_c，利用相位误差补偿参数φ_c对工作于速率积分模式下的固态振动陀螺的相位误差进行补偿。

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