CN114396927A - 一种基于soc的半球谐振陀螺时分复用控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法及系统，该方法包括：通过检测/激励时序切换控制多路复用开关将陀螺X、Y电极工作在检测或激励状态；当X、Y电极工作在检测状态时，FPGA进行AD信号采集、同步采样、信号解算、锁相环频率跟踪，ARM中进行陀螺信号解算、陀螺PID控制、工作模式切换；当X、Y电极工作在激励状态时，通过力合成和DAC控制实现对陀螺正交、幅度、角度闭环控制。从而可以实现半球谐振时分复用控制下陀螺信号解算和陀螺闭环控制，保障信号检测和激励同步有序进行。

Description

一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法及系统

技术领域

本发明属于半球谐振陀螺控制领域，尤其涉及一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法及系统。

背景技术

半球谐振陀螺(HRG)按其机械结构可以分为“三件套”和“两件套”，“三件套”由外激励罩、谐振子和电极基座组成，“两件套”为去掉外激励罩采用平面电极的方式，“两件套”HRG激励和检测电极位于电极基座上离散电极，为提高陀螺控制精度，HRG“两件套”一般采用时分复用的控制方法，时分是在时间域上将激励和检测分开，避免激励和检测的相互干扰，复用是在空间域上将离散电极进行复用，同一离散电极既可以作为激励电极也可以作为检测电极。

当前采用的固定电极驱动检测方法，HRG“两件套”陀螺在时分复用控制下陀螺检测振动信号不连续，在有限时间内高阶的IIR/FIR无法完成数据乘法解调，同时，信号检测和激励在时间域和空间域需要分时完成。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法及系统，用于解决现有的时分复用控制方法无法完成解调且信号检测和激励需要分时完成的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法，包括：

根据检测/激励时序切换，控制多路复用开关将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

当X、Y电极工作在检测状态时，在FPGA端采集X、Y电极信号，基于锁相环控制对陀螺振动信号进行同步采样，并对采样信号进行解算，在ARM端进行陀螺参数解算，根据解算得到的陀螺控制量进行PID控制，并对应进行工作模式切换；

当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上；

其中，陀螺PID控制力经过力合成进行载波调制，载波为锁相环跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制实现对陀螺闭环控制。

在本发明实施例的第二方面，提供了一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制系统，包括半球谐振陀螺，多路复用开关和SOC处理模块；

所述多路复用开关用于根据检测/激励时序切换模块控制将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

所述SOC处理模块中，当X、Y电极工作在检测状态时，FPGA进行AD信号采集、陀螺振动信号同步采样、信号解算、锁相环频率跟踪，ARM进行陀螺信号解算、陀螺PID控制和工作模式切换；当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上；

其中，陀螺PID控制经过力合成进行载波调制，载波为锁相环跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制实现对陀螺闭环控制。

本发明实施例中，基于SOC平台实现半球谐振陀螺时分复用的控制，可以实现时分复用下陀螺振动信号的解调以及陀螺闭环控制，保障信号检测和激励同步有序进行。时分复用控制下检测信号和激励信号在时序上分开，避免检测信号和激励信号的相互耦合；同时时分复用控制下检测电极和激励电极复用，相比固定电极进行激励、检测模式，可匀化电极间增益误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制系统的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的半球谐振陀螺时分复用激励/检测时序控制示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法的流程示意图，包括：

S101、根据检测/激励时序切换，控制多路复用开关将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

S102、当X、Y电极工作在检测状态时，在FPGA端采集X、Y电极信号，基于锁相环控制对陀螺振动信号进行同步采样，并对采样信号进行解算，在ARM端进行陀螺参数解算，根据解算得到的陀螺控制量进行PID控制，并对应进行工作模式切换；

X、Y电极工作处于检测状态下，FPGA(FieldProgrammable Gate Array)中进行AD(模数)信号采集、同步采样、信号解算、锁相环频率跟踪，ARM中进行陀螺信号解算、陀螺PID控制、工作模式切换。

其中，对一个周期内的采样信号进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量,通过AXI总线将FPGA端解算的四个慢变量发送至ARM端。

具体的，在ARM端进行陀螺参数解算，得到陀螺控制量幅度a,正交q，振型角度θ，其中a用于陀螺幅度PID控制参考值，q用于陀螺正交控制PID参考值，θ用于陀螺振型角度控制PID参考值。

S103、当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上；

X、Y电极处于激励状态下，根据力合成模块和DAC(数模控制器)控制模块实现对陀螺正交、幅度、角度闭环控制。所述力合成模块用于陀螺PID控制力合成，所述DAC控制模块用于对陀螺正交、幅度、角度闭环控制。

其中，陀螺PID控制力经过力合成进行载波调制，载波为锁相环跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制实现对陀螺闭环控制。

本实施例中，可以实现半球谐振时分复用控制下陀螺信号解算和陀螺闭环控制，并能应用于HRG“两件套”陀螺时分复用控制。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在一个实施例中，如图2所示，还提供了一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制系统结构示意图，该系统包括半球谐振陀螺210、多路复用开关220、SOC(System onChip)处理模块230三个部分。

所述多路复用开关220用于根据检测/激励时序切换模块控制将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

所述SOC处理模块230中，当X、Y电极工作在检测状态时，FPGA进行AD信号采集、陀螺振动信号同步采样、信号解算、锁相环频率跟踪，ARM进行陀螺信号解算、陀螺PID控制和工作模式切换；当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上。

图中，所述SOC处理模块230中包括ADC采集模块、同步采样模块、信号解算模块、激励/检测时序切换模块、锁相环模块、陀螺参数解算模块、PID控制模块、工作模式切换模块、DAC控制模块和力合成模块。

所述ADC(模数控制器)采集模块用于采集X、Y电极信号，同步采样模块用于对陀螺振动信号进行同步采样，锁相环模块用于信号频率跟踪，信号解算模块用于对采样信号进行解算，陀螺参数解算模块用于对陀螺参数解算得到陀螺控制量，PID控制模块用于进行陀螺PID控制，工作模式切换模块用于控制切换陀螺工作在力平衡和全角模式。

具体的，当半球谐振陀螺X、Y电极工作在检测状态时，X、Y电极信号输入到AD采集模块，在锁相环PLL模块的控制下对陀螺输入振动信号进行同步采样，一个周期内的采样数据进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量Cx,Sx,Cy,Sy,通过AXI总线将FPGA解算四个慢变量发送到ARM端，在ARM端进行陀螺参数解算，得到陀螺控制量幅度a,正交q，振型角度θ，分别用于陀螺幅度PID控制参考值、陀螺正交控制PID参考值、陀螺振型角度控制PID参考值。

当半球谐振陀螺X、Y电极工作在激励状态时，DAC控制模块输入的信号作用到X、Y电极上，实现对陀螺电极激励控制。通过工作模式切换，陀螺可工作在力平衡和全角模式。陀螺幅度PID控制力Fas、陀螺正交控制力Fqc、螺振型角度控制力Fqs经过力合成模块进行载波调制，载波为锁相环PLL跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制模块实现对陀螺闭环控制。

在另一实施中，如图3所示，图中提供了半球谐振陀螺时分复用激励/检测时序控制示意图：

整个激励/检测时序周期T分为四个陀螺工作状态：X电极检测、X电极激励、Y电极检测、Y电极激励，每个陀螺工作状态时间为一个陀螺振动信号周期T_s,其中多路复用开关控制陀螺工作状态之间的切换，陀螺工作状态切换之间预留空闲时间t保证开关切换后信号的稳定。在f_clk时钟参考下，锁相环PLL的cos支路信号cos(wt_i)作为陀螺X、Y电极检测与激励的切换的控制信号。

AD采集信号为陀螺振动信号经过电路延时T_delay得到，在一个时分复用控制周期T内，X电极和Y电极信号检测采用同步采样的方法，采样的起始点为AD采集信号的过零点，四个慢变量信号解算采用整周期平均的方法：

式中，Cx、Sx、Cy、Sy分别表示各支路慢变量，N表示一个振动周期内采样点数，i表示采样点，t_i为第i个采样点的采样时间，x(t_i)、y(t_i)分别表示陀螺x电极、y电极振动信号，cos(wt_i)、sin(wt_i)为锁相环输出的cos支路和sin支路信号。

在一个时分复用控制周期T内，根据X电极和Y电极检测信号进行陀螺参数解算，通过幅度、正交、角度控制PID输出激励控制力Fas、Fqc、Fqs，最后经过力合成以及DAC控制进行X电极和Y电极的激励控制。

其中，陀螺参数解算公式为：

基于陀螺振动信号的采集到对X、Y电极的激励控制，实现了陀螺闭环控制。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程可以参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述，以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制方法，其特征在于，包括：

根据检测/激励时序切换，控制多路复用开关将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

当X、Y电极工作在检测状态时，在FPGA端采集X、Y电极信号，基于锁相环控制对陀螺振动信号进行同步采样，并对采样信号进行解算，在ARM端进行陀螺参数解算，根据解算得到的陀螺控制量进行PID控制，并对应进行工作模式切换；

当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上；

其中，陀螺PID控制力经过力合成进行载波调制，载波为锁相环跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制实现对陀螺闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采样信号进行解算包括：

对一个周期内的采样信号进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量,通过AXI总线将FPGA端解算的四个慢变量发送至ARM端。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对一个周期内的采样信号进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量具体为：

根据公式计算四个慢变量：

其中，Cx、Sx、Cy、Sy分别表示各支路慢变量，N表示一个振动周期内采样点数，i表示采样点，t_i为第i个采样点的采样时间，x(t_i)、y(t_i)分别表示陀螺x电极、y电极振动信号，cos(wt_i)、sin(wt_i)为锁相环输出的cos支路和sin支路信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据解算得到的陀螺控制量进行PID控制包括：

在ARM端进行陀螺参数解算，得到陀螺控制量幅度、正交、振型角度，将陀螺控制量幅度,正交，振型角度分别作为陀螺幅度PID控制参考值、陀螺正交控制PID参考值、陀螺振型角度控制PID参考值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上包括：

DAC控制模块输出的信号作用到X、Y电极上，以实现对陀螺电极激励控制。

6.一种基于SOC的半球谐振陀螺时分复用控制系统，其特征在于，包括半球谐振陀螺，多路复用开关和SOC处理模块；

所述多路复用开关用于根据检测/激励时序切换模块控制将陀螺X、Y电极切换至检测或激励状态；

所述SOC处理模块中，当X、Y电极工作在检测状态时，FPGA进行AD信号采集、陀螺振动信号同步采样、信号解算、锁相环频率跟踪，ARM进行陀螺信号解算、陀螺PID控制和工作模式切换；当X、Y电极工作在激励状态时，将陀螺幅度、正交、振型角度闭环PID控制力进行力合成得到X、Y电极闭环驱动力，DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上；

其中，陀螺PID控制经过力合成进行载波调制，载波为锁相环跟踪陀螺振动波形的信号，合成的控制力经过DAC控制实现对陀螺闭环控制。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信号解算包括：

对一个周期内的采样信号进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量,通过AXI总线将FPGA端解算的四个慢变量发送至ARM端。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述对一个周期内的采样信号进行周期平均得到陀螺解算四个慢变量具体为：

根据公式计算四个慢变量：

其中，Cx、Sx、Cy、Sy分别表示各支路慢变量，N表示一个振动周期内采样点数，i表示采样点，t_i为第i个采样点的采样时间，x(t_i)、y(t_i)分别表示陀螺x电极、y电极振动信号，cos(wt_i)、sin(wt_i)为锁相环输出的cos支路和sin支路信号。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述ARM进行陀螺信号解算包括：

在ARM端进行陀螺参数解算，得到陀螺控制量幅度、正交、振型角度，将陀螺控制量幅度,正交，振型角度分别作为陀螺幅度PID控制参考值、陀螺正交控制PID参考值、陀螺振型角度控制PID参考值。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述DAC控制模块将力合成的驱动力数字量转为电压信号作用到陀螺上包括：

DAC控制模块输出的信号作用到X、Y电极上，以实现对陀螺电极激励控制。

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