CN114440933B - 一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，包括：信号解算单元：通过数学运算提取谐振子工作状态信息；旋转调制单元：按照预设转动速率调制陀螺驻波方位角均匀扫过陀螺误差周期的整数倍；幅度调制单元：施加给定的幅度调制信号，产生振幅操纵信号；信号合成单元：将各回路控制信号、旋转调制信号、幅度调制信号，根据当前驻波方位角进行合成，计算两轴驱动电极施加电压；标度计算单元：计算各驻波方位处标度因数数值；函数拟合单元：根据驻波方位及其对应的标度因数，采用最小二乘拟合建立起函数关系；输出补偿单元：计算主动施加的转动速率，补偿后提供陀螺对外输出。本系统实现了自主辨识并在线修正调制标度。

Description

一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统

技术领域

本发明属于惯性仪表控制技术领域，特别涉及一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统。

背景技术

谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动陀螺仪，包括石英半球谐振陀螺、金属筒型谐振陀螺、嵌套环陀螺和微半球陀螺等。由非理想特性引起的陀螺零偏误差，表现出随其振动的驻波方位角的周期特性，通过主动施加进动控制力，调制驻波方位角均匀的旋转，可以抑制该对称性误差的表达。

为了尽可能多的抵消对称性误差，添加调制速率控制回路，以保证在外界存在未知角速度输入情况下，实现驻波方位的恒速率均匀扫描。由于旋转调制发生在陀螺正常运行过程中，因此需实时的移除主动施加的进动速率。通常采用输出级补偿方法，即将主动施加的电压信号，根据标度因数归一化为角速率信息，于陀螺输出端进行补偿。

由于谐振子本体及线路误差，各方位标度因数存在偏差，常规方法采用出厂建模的方式，建立查找表进行修正。然而，标度因数表现出温度的函数关系，且随器件的老化也将发生缓慢的变化。标度因数误差将直接传递到陀螺输出，严重影响整机性能，仅靠离线建模的标定方式，难以满足长航时高精度陀螺的应用需求。

发明内容

本发明针对固体波/谐振陀螺标度因数随老化及外界环境改变，引发陀螺旋转调制精度下降的问题，提出了一种能够自主辨识并在线修正调制标度的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：包括信号解算单元、旋转调制单元、幅度调制单元、信号合成单元、标度计算单元、函数拟合单元、输出补偿单元；

所述信号解算单元：根据检测的两模态振动信号，通过数学运算提取谐振子工作状态信息，包括谐振子振幅、驻波方位角信息，用于后续调制控制、标度计算及陀螺输出；

所述旋转调制单元：根据给定的速率曲线，按照预设转动速率调制陀螺驻波方位角均匀扫过陀螺误差周期的整数倍；

所述幅度调制单元：按照预设的扰动施加逻辑，根据驻波旋转调制状态，施加给定的幅度调制信号，产生振幅操纵信号；

所述信号合成单元：将各回路控制信号、旋转调制信号、幅度调制信号，根据当前驻波方位角进行合成，计算两轴驱动电极施加电压；

所述标度计算单元：存储衰减的振幅信息，记录各方位衰减持续时间，根据其计算各驻波方位处标度因数数值；

所述函数拟合单元：根据驻波方位及其对应的标度因数，采用最小二乘拟合建立起函数关系；

所述输出补偿单元：根据当前驻波方位、主动调制电压及标度因数函数，计算主动施加的转动速率，补偿后提供陀螺对外输出。

进一步的：信号解算单元首先将X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行分解解调，获取各自的同相和正交分量，分别为C_x、S_x、C_y、S_y；然后按照动力学方程推导的式(1)获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差φ、简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相角θ，分别对应为频率控制、正交控制、幅度控制、速率控制的被控变量；

式中——C_x和S_x分别为X轴检测信号的余弦和正弦分量；

——C_y和S_y分别为Y轴检测信号的余弦和正弦分量。

进一步的：旋转调制单元根据解算得到的驻波空间相角θ，求取驻波角速率增量Δθ，然后根据解算采样频率f_demod计算驻波角速率

以此为被控变量，按照预设的速率曲线，构建恒转速闭环控制回路，通过旋转调制信号

控制驻波空间相角θ以速率

均匀正反扫描误差曲线的整数倍路径(-π/4-kπ/2)～(π/4+kπ/2)。

进一步的：所述幅度调制单元根据预设的逻辑时序，分为下降阶段和上升阶段，在驻波空间相角θ一次正反扫描周期内，按照下降-上升的时序交替进行整数次；下降阶段，施加正比于振幅的驱动信号

代替稳幅控制信号C_a，以操作陀螺的振动能量E衰减；上升阶段，反向驱动信号，操作陀螺的振动能量E上升。

进一步的：所述信号合成单元综合各回路及单元输出信号，根据式(2)进行信号合成；

式中——V_x和V_y分别为X轴和Y轴的驱动电压；

——C_a和

分别为稳幅控制和幅度调制信号；

——

为旋转调制信号；

——C_q为正交控制信号；

——ω_d为驱动频率；

——t为时间。

进一步的：所述标度计算单元计算驻波在各空间相角θ处的标度因数SF_θ原理为：

检测波腹的振幅为a，当施加幅度调制

时，根据阻尼振动方程，得：

式中——a₀和a_t分别为0和t时刻波腹振幅；

——τ为谐振子衰减时间；

——

为幅度调制电压；

——SF为标度因数；

整理为：

因恒转速旋转调制，因此重复路过各驻波空间相角θ的时间间隔恒定，为T；

方程(4)扩展为：

式中——

和

分别为驻波空间相角位于θ处0和T时刻的波腹振幅；

——SF_θ为驻波空间相角θ处的标度因数；

则分别对应上升段和下降段：

式中——T_d和T_u分别为上升段和下降段的时间间隔；

得：

得到各方位处标度因数计算值SF_θ。

进一步的：所述函数拟合单元将计算得到的各方位调制标度SF_θ，以驻波空间相角θ为自变量进行最小二乘拟合，得到标度函数方程：

SF_θ＝f(θ) (8)。

进一步的：所述输出补偿单元计算当前外界角速率输入Ω_out(θ)，根据各驻波空间相角θ调制标度SF_θ-π4，补偿旋转调制信号

如式(9)所示；

式中——Ω_out为陀螺输出角速率信号。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明提出的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，通过主动施加调制力控制陀螺驻波方位均匀扫描。通过施加幅度调制信号，主动获取并在线辨识各驻波方位处振幅操纵信号，计算标度因数。

2、本发明提出的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，采用最小二乘拟合建立标度因数与驻波方位的函数关系，降低过程噪声的影响，提升标度因数校正的信噪比。

3、本发明提出的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，在不干扰陀螺正常输出的情况下，自主迭代校正陀螺标度因数，提升陀螺旋转调制长时工作的零偏稳定性及温度特性。

附图说明

图1是本发明提出的一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统框图；

图2是本发明旋转调制速率曲线；

图3是本发明振幅调制曲线。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

图1为本发明提出的一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统框图。

谐振子1为陀螺核心敏感单元，根据应用需求和精度等级不同，其材质可为石英、硅基和金属等。电极2用于驱动和检测谐振子振动，包括接触式和非接触式，如压电陶瓷、电容等。缓冲放大器3用于提取电极2上获取到的谐振子1的振动信息，起信号转换和隔离放大作用，如电荷放大器等。缓冲放大器3得到的含陀螺振动信息的电压信号通过模数转换器4采集转变为数字量。信号解算单元5通过数学运算得到各回路误差信号以及陀螺状态信息和输出响应信号。旋转调制单元6根据当前驻波方位角速率产生旋转调制控制信号。幅度调制单元7根据当前陀螺状态，产生幅度调制控制信号。信号合成单元8将各回路控制信号及调制信号进行矢量合成，产生两驱动电极施加信号，通过数模转换器9转变为模拟电压信号施加在谐振子对应驱动电极上。陀螺调制运转过程中，标度计算单元10计算并存储各方位角标度信息，提供给函数拟合单元11拟合得到标度因数修正函数。输出补偿单元12根据当前角速率信息、驻波方位及标度函数，计算并补偿主动调制信号，对外提供补偿后输出。

具体工作过程及原理如下：

(1)信号解算单元

所述信号解算单元：根据检测的两模态振动信号，通过数学运算提取谐振子振幅、驻波方位角等信息，用于后续调制控制、标度计算及陀螺输出；具体的：

信号解算单元首先将X轴和Y轴检测信号(指两模态振动信号)分别在极坐标轴上进行分解解调，获取各自的同相和正交分量，分别为C_x、S_x、C_y、S_y。解调可采用开关解调或乘法解调等。按照动力学方程推导的式(1)获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差φ、简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相角θ，分别对应为频率控制、正交控制、幅度控制、速率控制的被控变量。

式中——C_x和S_x分别为X轴检测信号的余弦和正弦分量；

——C_y和S_y分别为Y轴检测信号的余弦和正弦分量。

(2)旋转调制单元

所述旋转调制单：根据给定的速率曲线，按照预设转动速率调制陀螺驻波方位角均匀扫过陀螺误差周期的整数倍；具体的：

旋转调制单元根据解算得到的驻波空间相角θ，求取驻波角速率增量Δθ，即

为当前时刻解算的驻波空间相角，

为上一时刻解算的驻波空间相角；然后根据解算采样频率f_demod(表征解算单元运算频率)计算驻波角速率

即

以此为被控变量，按照预设的速率曲线，如图2所示，构建恒转速闭环控制回路，经控制器(包括在旋转调制单元内，为控制回路基本组成，此处不再展开描述)产生旋转调制信号

并控制驻波空间相角θ以速率

(即给定驻波空间相角旋转角速率)均匀正反扫描误差曲线的整数倍路径((-π/4-kπ/2)～(π/4+kπ/2))。

(3)幅度调制单元

所述幅度调制单元：按照预设的扰动施加逻辑，根据驻波旋转调制状态，施加给定的幅度调制信号，产生振幅操纵信号；具体的：

幅度调制单元根据预设的逻辑时序，分为下降阶段和上升阶段，在驻波空间相角θ一次正反扫描周期内，按照下降-上升的时序交替进行整数次。下降阶段，施加正比于振幅的驱动信号C_am代替稳幅控制信号C_a，以操作陀螺的振动能量E衰减；上升阶段，反向驱动信号，操作陀螺的振动能量E上升。由于陀螺正常工作时，正交控制信号C_q作用使得陀螺波节点处振动恒为0，即Q＝0，此时陀螺的振动能量E全部由波幅振动幅度表达，有波幅振幅

由此，可计算获得被调整的幅度信号a，如图3所示。

(4)信号合成单元

所述信号合成单元：将各回路控制信号、旋转调制信号、幅度调制信号，根据当前驻波方位角进行合成，计算两轴驱动电极施加电压；具体的：

如图1所示，谐振陀螺的电极2相对于谐振子1保持固定的方位，因此为保证控制力的正确施加，旋转调整过程中需根据驻波空间相角θ将各回路控制电压C_a、

C_q进行调制合成，生成X轴和Y轴施加电压V_x和V_y，施加于X轴和Y轴驱动电极。

信号合成单元综合各回路及单元输出信号，根据式(2)进行信号合成。

式中——V_x和V_y分别为X轴和Y轴的驱动电压；

——C_a和

分别为稳幅控制和幅度调制信号；

——

为旋转调制信号；

——C_q为正交控制信号；

——ω_d为驱动频率；

——t为时间。

(5)标度计算单元

所述标度计算单元：存储衰减的振幅信息，记录各方位衰减持续时间，根据其计算各驻波方位处标度因数数值。具体的：

根据幅度衰减曲线图3，计算驻波在各空间相角θ处的标度因数SF_θ。原理如下：

检测波腹的振幅为a，当施加幅度调制

时，根据阻尼振动方程，得：

式中——a₀和a_t分别为0和t时刻波腹振幅；

——τ为谐振子衰减时间；

——

为幅度调制电压；

——SF为标度因数。

整理为：

因恒转速旋转调制，因此重复路过各驻波空间相角θ的时间间隔恒定，为T。

方程(4)扩展为：

式中——

和

分别为驻波空间相角位于θ处0和T时刻的波腹振幅；

——SF_θ为驻波空间相角θ处的标度因数；

则分别对应上升段和下降段：

式中——T_d和T_u分别为上升段和下降段的时间间隔。

得：

由此，得到各方位处标度因数计算值SF_θ。

(6)函数拟合单元

所述函数拟合单元：根据驻波方位及其对应的标度因数，采用最小二乘拟合建立起函数关系。具体的：

将计算得到的各方位调制标度SF_θ，以驻波空间相角θ为自变量进行最小二乘拟合，得到标度函数方程：

SF_θ＝f(θ) (8)

(7)输出补偿单元

所述输出补偿单元：根据当前驻波方位、主动调制电压及标度因数函数，计算主动施加的转动速率，补偿后提供陀螺对外输出。

计算当前外界角速率输入Ω_out(θ)，根据各驻波空间相角θ调制标度SF_θ-π/4，补偿旋转调制信号

如式(9)所示。

式中——Ω_out为陀螺输出角速率信号。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：包括信号解算单元、旋转调制单元、幅度调制单元、信号合成单元、标度计算单元、函数拟合单元、输出补偿单元；

所述信号解算单元：根据检测的两模态振动信号，通过数学运算提取谐振子工作状态信息，包括谐振子振幅、驻波方位角信息，用于后续调制控制、标度计算及陀螺输出；

所述旋转调制单元：根据给定的速率曲线，按照预设转动速率调制陀螺驻波方位角均匀扫过陀螺误差周期的整数倍；

所述幅度调制单元：按照预设的扰动施加逻辑，根据驻波旋转调制状态，施加给定的幅度调制信号，产生振幅操纵信号；

所述信号合成单元：将各回路控制信号、旋转调制信号、幅度调制信号，根据当前驻波方位角进行合成，计算两轴驱动电极施加电压；

所述标度计算单元：存储衰减的振幅信息，记录各方位衰减持续时间，根据其计算各驻波方位处标度因数数值；

所述函数拟合单元：根据驻波方位及其对应的标度因数，采用最小二乘拟合建立起函数关系；

所述输出补偿单元：根据当前驻波方位、主动调制电压及标度因数函数，计算主动施加的转动速率，补偿后提供陀螺对外输出。

2.根据权利要求1所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：信号解算单元首先将X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行分解解调，获取各自的同相和正交分量，分别为C_x、S_x、C_y、S_y；然后按照动力学方程推导的式(1)获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差φ、简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相角θ，分别对应为频率控制、正交控制、幅度控制、速率控制的被控变量；

Q＝2(C_xS_y-C_yS_x)

E＝C_x ²+S_x ²+C_y ²+S_y ²

式中——C_x和S_x分别为X轴检测信号的余弦和正弦分量；

——C_y和S_y分别为Y轴检测信号的余弦和正弦分量。

3.根据权利要求2所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：旋转调制单元根据解算得到的驻波空间相角θ，求取驻波角速率增量Δθ，然后根据解算采样频率f_demod计算驻波角速率

以此为被控变量，按照预设的速率曲线，构建恒转速闭环控制回路，通过角度调制信号C_pm控制驻波空间相角θ以速率

均匀正反扫描误差曲线的整数倍路径(-π/4-kπ/2)～(π/4+kπ/2)。

4.根据权利要求3所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：所述幅度调制单元根据预设的逻辑时序，分为下降阶段和上升阶段，在驻波空间相角θ一次正反扫描周期内，按照下降-上升的时序交替进行整数次；下降阶段，施加正比于振幅的驱动信号

代替稳幅控制信号C_a，以操作陀螺的振动能量E衰减；上升阶段，反向驱动信号，操作陀螺的振动能量E上升。

5.根据权利要求4所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：所述信号合成单元综合各回路及单元输出信号，根据式(2)进行信号合成；

式中——V_x和V_y分别为X轴和Y轴的驱动电压；

——C_a和

分别为稳幅控制和幅度调制信号；

——

为旋转调制信号；

——C_q为正交控制信号；

——ω_d为驱动频率；

——t为时间。

6.根据权利要求2所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：所述标度计算单元计算驻波在各空间相角θ处的标度因数SF_θ原理为：

检测波腹的振幅为a，当施加幅度调制

时，根据阻尼振动方程，得：

式中——a₀和a_t分别为0和t时刻波腹振幅；

——τ为谐振子衰减时间；

——

为幅度调制电压；

——SF为标度因数；

整理为：

因恒转速旋转调制，因此重复路过各驻波空间相角θ的时间间隔恒定，为T；

方程(4)扩展为：

式中——

和

分别为驻波空间相角位于θ处0和T时刻的波腹振幅；

——SF_θ为驻波空间相角θ处的标度因数；

则分别对应上升段和下降段：

式中——T_d和T_u分别为上升段和下降段的时间间隔；

得：

得到各方位处标度因数计算值SF_θ。

7.根据权利要求6所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：所述函数拟合单元将计算得到的各方位调制标度SF_θ，以驻波空间相角θ为自变量进行最小二乘拟合，得到标度函数方程：

SF_θ＝f(θ) (8)。

8.根据权利要求7所述的谐振陀螺仪旋转调制标度自校正系统，其特征在于：所述输出补偿单元计算当前外界角速率输入Ω_out(θ)，根据各驻波空间相角θ调制标度SF_θ-π/4，补偿旋转调制信号

如式(9)所示；

式中——Ω_out为陀螺输出角速率信号。

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