CN114509057A - 一种谐振陀螺仪全角模式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振陀螺仪全角模式控制方法，包括：1、对陀螺电极的布置；步骤2、激发谐振子模态振动，并在起振后，切换至全角控制方式；3、驻波角度θ的检测与计算，4、检测通道误差A的标定与补偿：根据含误差的角度输出

和误差公式，计算检测通道误差系数A，并在控制程序中进行校正；5、驱动通道误差B的标定与补偿：对振动模态两轴间驱动V_X、V_Y的耦合状态进行标定，计算驱动通道的误差系数B，并在程序中进行校正；6、阻尼不均的标定与补偿。本方法能够提供不同驻波角度下的陀螺状态控制及信号检测，实现了角度信息连续可靠输出，并对缺陷引起的角度解算和控制误差提供了标定和补偿。

Description

一种谐振陀螺仪全角模式控制方法

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全角模式控制方法,该方法应用谐振陀螺仪速率积分工作模式中，是谐振陀螺控制方法的一种实现方式。

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、金属筒型谐振陀螺和微半球陀螺等。该陀螺具有两种工作模式，分别是角速率模式和速率积分模式。其中角速率模式采用力反馈控制，该模式下，驻波被锁定在固定位置，抑制表头及线路误差的表达，同时通过力反馈电压与外界输入角速率的线性关系敏感外界转动。速率积分模式，驻波角度通过布莱恩系数关系直接敏感外界转动角度，相较于传统力反馈控制模式，全角模式下陀螺在动态范围、带宽、标度因数等方面表现出突出的优势，应用场景更加广泛。

全角模式下，由于驻波角度开环，需利用固定位置的电极完成不同驻波方位下的驱动和检测，在此基础上获取连续稳定的角度信息作为敏感输出。于此同时，谐振子、电极及控制线路等误差的表达难以忽略，且表达出驻波角度的相关特性，为达到良好的性能水平，需对其进行校准和补偿。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种谐振陀螺仪全角模式控制方法，本发明能够提供不同驻波角度下的陀螺状态控制及信号检测，可实现角度信息连续可靠输出，并对缺陷引起的角度解算和控制误差可提供标定和补偿。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对陀螺电极的布置

谐振陀螺的工作状态包括驱动模态和检测模态，对n阶振动阶数，其模态的正交角度为π/2n；对其进行有效控制，需要电极在振动平面的分布满足模态的正交或投影正交关系；

步骤2、激发谐振子模态振动，并在起振后，切换至全角控制方式；

步骤3、驻波角度θ的检测与计算，包括：

3.1检测和提取陀螺状态信息：根据电极x、y的空间位置，将a、b信号投影为振动模态正交的两轴，解调x、y轴等效信号V_x、V_y的同相和正交成分c_x、s_x、c_y、s_y，并通过公式计算得到陀螺的状态，陀螺状态参数包含驻波角θ；

3.2通过拓展角度计算时反正切函数atan的值域，避免鉴相过程的角度跳变。通过判别驻波角度θ计算信号稳定范围，切换使用反正切运算和反余切运算，使角度求取过程保持在稳定范围，避免驻波角度θ临界π/8时达到反正切函数atan的求解边缘，导致的求解噪声增大问题；

步骤4、检测通道误差A的标定与补偿：

根据含误差的角度输出

和误差公式，计算检测通道误差系数A，并在控制程序中进行校正；提升角度测量

的准确度；

步骤5、驱动通道误差B的标定与补偿：

对振动模态两轴间驱动V_X、V_Y的耦合状态进行标定，计算驱动通道的误差系数B，并在程序中进行校正；降低驱动V_X、V_Y的误差耦合，提升控制信号的准确性，并降低耦合带来的附加干扰Δε_e；

步骤6、阻尼不均的标定与补偿：

对陀螺静态或准静态下，各驻波角度θ下的不同漂移Ω_b进行标定，建立漂移Ω_b和驻波角θ之间的关系表达，将其写入控制程序中，进行在线的误差补偿，抑制不同方位的零偏漂移。

进一步的，步骤2中，起振方式包括参数激励方式和矢量追踪方式，两种方式选择其一使用；所述参数激励方式为利用谐振子几何形变产生波腹方位驱动力，需使用谐振频率ω₀的2倍的方波驱动信号V_A进行，驱动信号V_A通过谐振子施加；所述矢量追踪为利用驱动振型叠加原理，通过将等效力按驻波角度θ分解到呈正交的电极X、Y处，采用固定位置的电极X、Y进行施加。

进一步的：步骤3.1的计算公式见式(1)：

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；

——θ为驻波角。

进一步的：步骤3.2中采用采用循环域鉴相算法扩大反正切数学运算atan的主值域(-π/2,π/2)，具体为：

设鉴相器在第n时刻输出为θ_n＝arctanx，第n-1时刻的估计为

限制正常的相位跳变

的幅度不大于主值域的一半π/2，即Δθ|≤π/2，构造式(2)消除跳变相位估计的循环域算法：

初始条件设为

由式(1)，在驻波角度θ接近π/8时，tan4θ→∞，此时S数值较大而R趋于零，反正切函数atan输出稳定性差，易发生跳变，因此需要添加相应的处理装置进行逻辑判断，设定某个极限数值[data]_max，交替使用反正切函数atan和反余切函数acot，如式(3)所示；

进一步的，步骤4中，计算检测通道误差系数A，见公式(4)

式中——a为波腹振幅；

——b为波节振幅；

——

为驻波角度计算值；

——Δk_d为检测电极增益偏差；

——Δθ_d为检测电极位置偏差；

——Δφ_d为检测电极相移偏差。

进一步的：步骤5中，计算驱动通道的误差系数B如式(5)：

式中——Δk_e为y驱动电极增益偏差；

——

分别为x、y驱动电极位置偏差；

——Δφ_e为y驱动电极相移偏差；

——Δε_e为驱动电极引入额外漂移；

——SF为电极施力标度因数；

——

为驱动误差引发驻波方位漂移角；

——C_a为稳幅控制信号；

——C_q为正交控制信号。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明谐振陀螺仪全角模式控制方法，能够通过固定位置电极实现驱动和检测，满足驻波角度开环的控制需求。

2、本发明谐振陀螺仪全角模式控制方法，实现了不同位置处驻波角度θ的连续稳定计算。

3、本发明谐振陀螺仪全角模式控制方法，对驱动通道误差B和检测通道误差A进行辨识和校正，提高了角度

测量精度。

4、本发明谐振陀螺仪全角模式控制方法，对不同驻波方位零偏误差Ω_b进行在线补偿，提高了陀螺的零偏性能。

附图说明

图1本发明提出的全角模式采用参数激励的驱动方式示意图；

图2本发明提出的全角模式采用矢量追踪的驱动方式示意图；

图3本发明提出的谐振陀螺仪全角模式控制方法流程图。

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。

一种谐振陀螺仪全角模式控制方法，请参见图1-3，其发明点包括如下步骤：

步骤1、对陀螺电极的布置

谐振陀螺的工作状态包括驱动模态和检测模态，对n阶振动阶数，其模态的正交角度为π/2n。对其进行有效控制，需要电极在振动平面的分布满足模态的正交或投影正交关系。通常采用阶数n＝2的振动模态，电极以π/4为间隔均匀分布，电极2与谐振子1的位置保持固定。

步骤2、激发谐振子模态振动

对于静止的谐振子，首先需激发起其对应的模态振动，尤其对于品质因数Q高的石英半球陀螺，可采用在各电极X、Y上施加相应位置的差分驱动V_X、V_Y，最大程度注入能量，以快速起振。起振后，切换至全角控制方式。其中，起振方式包括参数激励方式和矢量追踪方式，两种方式选择其一使用。对于参数激励，即利用谐振子几何形变产生波腹方位驱动力，需使用谐振频率ω₀的2倍的方波驱动信号V_A进行，驱动信号V_A可通过谐振子1施加，如图1所示。对于矢量追踪，其利用驱动振型叠加原理，通过将等效力按驻波角度θ分解到呈正交的电极X、Y处，可采用固定位置的电极X、Y进行施加，如图2所示。

步骤3、驻波角度θ的检测与计算

为实现陀螺状态信息的检测，需通过固定电极x、y进行求解。首先将电极检测信号V_x、V_y投影到正交系，通过信号解调的方式，提取x、y两轴系信号V_x、V_y的同相和正交成分，分别为c_x、s_x、c_y、s_y，根据动力学方程得到驻波角度θ的计算公式为：

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；

——θ为驻波角；

——S、R为过程变量。

由式(1)可见，驻波角度θ的计算获取需通过反正切运算atan。由于驻波角度θ开环，故在物理上不受限制，可取到任意数值，因此需要将反正切数学运算atan的主值域(-π/2,π/2)扩大。可采用循环域鉴相算法，即定义一个无边界的环形值域，记录前一时刻输出数值，并限制当前时刻相位跳变。具体原理如下：

设鉴相器在第n时刻输出为θ_n＝arctanx，第n-1时刻的估计为

限制正常的相位跳变

的幅度不大于主值域的一半π/2，即|Δθ|≤π/2，构造下述消除跳变相位估计的循环域算法：

初始条件设为

由式(1)，在驻波角度θ接近π/8时，tan4θ→∞，此时S数值较大而R趋于零，反正切函数atan输出稳定性差，易发生跳变。因此需要添加相应的处理装置进行逻辑判断，设定某个极限数值[data]_max，交替使用反正切函数atan和反余切函数acot，如式(3)所示。

步骤4、检测通道误差A的标定与补偿

在驻波角度θ检测时，由于电极和线路的缺陷，会产生检测通道误差A，使得两轴信号发生偏差。这种缺陷可等效为检测电极偏差，包含电极增益偏差Δk_d、电极位置偏差Δθ_d、电极相移偏差Δφ_d。电极增益误差Δk_d表征正交的两轴信号所反映的振动信息的比例系数不一致，使得驻波角度

计算在驻波不同位置θ处时产生了非线性。电极位置偏差Δθ_d表征两轴检测信号V_x、V_y未严格保持正交，故检测的信号无法真实反映振动的两个模态。电极的相移偏差Δφ_d表征同一时刻的两轴振动信息V_x、V_y，未能被同步采集，在时间域发生了混叠。检测通道误差A将共同干扰角度

的计算，使其发生偏差，即计算所得角度

与驻波真实角度θ间存在与角度位置相关的误差，如公式(4)所示。

式中——a为波腹振幅；

——b为波节振幅；

——

为驻波角度计算值；

——Δk_d为检测电极增益偏差；

——Δθ_d为检测电极位置偏差；

——Δφ_d为检测电极相移偏差。

采用标定的方法，获取上述检测通道误差A的参数，并根据公式(4)准确对求解的角度

进行校正，获取真实驻波角度θ。

步骤5、驱动通道误差B的标定与补偿

在施力驱动时，由于电极和线路的误差，其同样存在驱动通道误差B，使得施力V_X、V_Y的实际效果偏离预期，即控制信号(包括稳幅控制信号C_a、正交控制信号C_q、主动进动信号C_p)在两个模态上发生耦合。这种缺陷可等效为驱动电极偏差，包括电极增益偏差Δk_e、电极位置偏差

电极相移偏差Δφ_e。

对于驱动通道误差B，其为控制信号的交叉耦合，因而引起各驻波角度θ处额外的漂移Δε_e，建立驱动误差B对驻波方位θ的误差方程如式(5)所示：

式中——Δk_e为y驱动电极增益偏差；

——

分别为x、y驱动电极位置偏差；

——Δφ_e为y驱动电极相移偏差；

——Δε_e为驱动电极引入额外漂移；

——SF为电极施力标度因数；

——

为驱动误差引发驻波方位漂移角；

——C_a为稳幅控制信号；

——C_q为正交控制信号。

采用标定的方法，获取上述驱动通道误差B的参数，并根据公式(5)，在施力环路进行补偿，抑制控制信号(包括稳幅控制信号C_a、正交控制信号C_q、主动进动信号C_p)耦合干扰。

步骤6、阻尼不均的标定与补偿

由于谐振子阻尼不均误差等，其将表现出不同驻波角度θ处不同的漂移速率Ω_b，使得陀螺的驻波角度θ自发的产生改变影响检测稳定性。对此，通过驻波角度θ旋转的方式，可提取驻波角度θ的漂移速率Ω_b，并建立起与驻波角度θ间的函数关系(Ω_b(θ)＝f(θ))，并将其写入控制程序。控制程序根据当前驻波角度θ、该角度下标度因数SF及补偿方程，计算得到相应的补偿信号(C_pc(θ)＝Ω_b(θ)/SF(θ))，根据驻波角度信息θ施加于谐振子，实现角度漂移误差Ω_b的在线补偿。

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 (6)

1.一种谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对陀螺电极的布置

谐振陀螺的工作状态包括驱动模态和检测模态，对n阶振动阶数，其模态的正交角度为π/2n；对其进行有效控制，需要电极在振动平面的分布满足模态的正交或投影正交关系；

步骤2、激发谐振子模态振动，并在起振后，切换至全角控制方式；

步骤3、驻波角度θ的检测与计算，包括：

3.1检测和提取陀螺状态信息：根据电极x、y的空间位置，将a、b信号投影为振动模态正交的两轴，解调x、y轴等效信号V_x、V_y的同相和正交成分c_x、s_x、c_y、s_y，并通过公式计算得到陀螺的状态，陀螺状态参数包含驻波角θ；

3.2拓展驻波角度计算时反正切函数atan的值域，判别驻波角度θ计算信号稳定范围，设定极限数值，切换使用反正切运算和反余切运算，使角度求取过程保持在稳定范围；

步骤4、检测通道误差A的标定与补偿：

根据含误差的角度输出

和误差公式，计算检测通道误差系数A，并在控制程序中进行校正；

步骤5、驱动通道误差B的标定与补偿：

对振动模态两轴间驱动V_X、V_Y的耦合状态进行标定，计算驱动通道的误差系数B，并在程序中进行校正；

步骤6、阻尼不均的标定与补偿：

对陀螺静态或准静态下，各驻波角度θ下的不同漂移Ω_b进行标定，建立漂移Ω_b和驻波角θ之间的关系表达，将其写入控制程序中，进行在线的误差补偿。

2.根据权利要求1所述的谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于：步骤2中，起振方式包括参数激励方式和矢量追踪方式，两种方式选择其一使用；所述参数激励方式为利用谐振子几何形变产生波腹方位驱动力，需使用谐振频率ω₀的2倍的方波驱动信号V_A进行，驱动信号V_A通过谐振子施加；所述矢量追踪为利用驱动振型叠加原理，通过将等效力按驻波角度θ分解到呈正交的电极X、Y处，采用固定位置的电极X、Y进行施加。

3.根据权利要求1所述的谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于：步骤3.1的计算公式见式(1)：

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；

——θ为驻波角。

4.根据权利要求3所述的谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于：步骤3.2中采用采用循环域鉴相算法扩大反正切数学运算atan的主值域(-π/2,π/2)，具体为：

设鉴相器在第n时刻输出为θ_n＝arctan x，第n-1时刻的估计为

限制正常的相位跳变

的幅度不大于主值域的一半π/2，即|Δθ|≤π/2，构造式(2)消除跳变相位估计的循环域算法：

初始条件设为

由式(1)，在驻波角度θ接近π/8时，tan4θ→∞，此时S数值较大而R趋于零，反正切函数atan输出稳定性差，易发生跳变，因此需要添加相应的处理装置进行逻辑判断，设定某个极限数值[data]_max，交替使用反正切函数atan和反余切函数acot，如式(3)所示；

5.根据权利要求1所述的谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于：步骤4中，计算检测通道误差系数A，见公式(4)：

式中——a为波腹振幅；

——b为波节振幅；

——

为驻波角度计算值；

——Δk_d为检测电极增益偏差；

——Δθ_d为检测电极位置偏差；

——Δφ_d为检测电极相移偏差。

6.根据权利要求1所述的谐振陀螺仪全角模式控制方法，其特征在于：步骤5中，计算驱动通道的误差系数B如式(5)：

式中——Δk_e为y驱动电极增益偏差；

——

分别为x、y驱动电极位置偏差；

——Δφ_e为y驱动电极相移偏差；

——Δε_e为驱动电极引入额外漂移；

——SF为电极施力标度因数；

——

为驱动误差引发驻波方位漂移角；

——C_a为稳幅控制信号；

——C_q为正交控制信号。

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