CN114838741B - 一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法 - Google Patents

一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，包括如下过程：将陀螺处在静态环境中，周期性给予正交回路脉冲信号P，使陀螺的正交控制力变为
Figure 530538DEST_PATH_IMAGE002
，同时改变增益差
Figure 399137DEST_PATH_IMAGE004
，频率追踪回路根据
Figure DEST_PATH_IMAGE005
及
Figure DEST_PATH_IMAGE006
值，记录第k次脉冲信号施加后的下一个陀螺控制周期的频率追踪回路输出
Figure 668706DEST_PATH_IMAGE008
，并将
Figure 738293DEST_PATH_IMAGE008
减去
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，得到相应的扰动值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE012
，上位机根据最小的扰动值对应的
Figure 591849DEST_PATH_IMAGE013
值控制激励A电极提供的正交控制力扩大
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE015
倍。本发明提供的方法可以有效将激励电极增益不一致误差
Figure 830850DEST_PATH_IMAGE016
消除，从而保证陀螺的精度。

Description

一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法。
背景技术
半球谐振陀螺是基于哥氏效应敏感外界角速度。相比传统机械陀螺，它结构简单，核心工作部件只有石英谐振子和电极基座，并且依靠微幅振动工作，无机械磨损，使其具有造价低，可靠性高，寿命长的特点。与光学陀螺相比，它具有更佳的成本、尺寸、质量和功耗比(C-SWaP)。半球谐振陀螺使用离散电极对陀螺谐振子驻波进行控制，在控制模型中要求激励电极之间增益一致。在实际情况中，因为制造工艺的缺陷，存在电极增益不一致误差，如果不及时消除，会引起额外的陀螺漂移。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方 法，通过对正交回路施加脉冲信号，使陀螺的正交控制力变为
Figure 156854DEST_PATH_IMAGE002
，激励A电极提供的 控制力扩大
Figure 237809DEST_PATH_IMAGE004
倍，得到第k次脉冲信号施加后的下一个陀螺控制周期的频率追踪回 路输出
Figure 307397DEST_PATH_IMAGE006
，再与基准频率追踪回路输出
Figure 957690DEST_PATH_IMAGE008
做减法，寻找出最小的扰动值后，得到与最小扰 动值对应的
Figure 505346DEST_PATH_IMAGE010
值，利用
Figure 472165DEST_PATH_IMAGE010
值对正交控制力进行重新标定，可以将激励电极增益不 一致误差
Figure 978232DEST_PATH_IMAGE010
消除，从而保证陀螺的精度。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其包括如下步骤：
S1： 将陀螺处在静态环境中；
S2：周期性给予正交回路一个脉冲信号P，使陀螺的正交控制力变为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
，同 时改变激励A电极和激励Q电极的增益差
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，使激励A电极提供的控制力扩大
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
倍，并实时将对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE014
及
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
值传输给频率追踪回路；
S3：频率追踪回路根据
Figure DEST_PATH_IMAGE016
及
Figure DEST_PATH_IMAGE017
值，记录下第k次脉冲信号施加后的下一 个陀螺控制周期的频率追踪回路输出
Figure 37193DEST_PATH_IMAGE006
；
S4：调取预先存储的基准频率追踪回路输出
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
，并将
Figure 575490DEST_PATH_IMAGE006
减去
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
，得到相应的扰动 值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
，并将
Figure 554073DEST_PATH_IMAGE021
的值与相应的
Figure 231042DEST_PATH_IMAGE017
值一起存储；
S5：将最小的扰动值对应的
Figure 387086DEST_PATH_IMAGE012
值反馈给上位机，上位机控制激励A电极提供的 正交控制力扩大
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
倍。
优化的，脉冲信号P定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，其中t为时间，以秒作为整数单位。
进一步，
Figure 639993DEST_PATH_IMAGE012
变化步长设定为0.0001，每次变化的时间为2秒，
Figure 846984DEST_PATH_IMAGE010
的变化区间 为[-0.1，0.1]。
进一步，步骤S4中数据存储时，设置一个二维矩阵，在二维矩阵的第k行第一列存 储第k次脉冲信号对应的
Figure 429275DEST_PATH_IMAGE015
值，在二维矩阵的第k行第二列存储扰动值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，然后 以第二列为索引进行排序，寻找出矩阵中存储的最小扰动值后，得到与最小扰动值对应的
Figure 744719DEST_PATH_IMAGE010
值。
优化的，S1中陀螺处在静态环境中且陀螺振型固定在22.5°。
进一步，每五小时重复一次步骤S1-S5。
发明的有益效果
本发明提供的一种半球谐振陀螺正交耦合误差标定方法，具有如下优点：本发明 通过对正交回路施加脉冲信号，使陀螺的正交控制力变为
Figure 703447DEST_PATH_IMAGE025
，激励A电极提供的控制 力扩大
Figure 187781DEST_PATH_IMAGE004
倍，得到第k次脉冲信号施加后的下一个陀螺控制周期的频率追踪回路输 出
Figure 206552DEST_PATH_IMAGE006
，再与基准频率追踪回路输出
Figure DEST_PATH_IMAGE026
做减法，寻找出最小的扰动值后，得到与最小扰动值 对应的
Figure 9292DEST_PATH_IMAGE010
值，利用
Figure 771712DEST_PATH_IMAGE010
值对正交控制力进行重新标定，可以将激励电极增益不一致 误差
Figure 422136DEST_PATH_IMAGE017
消除，从而保证陀螺的精度。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是二位弹簧-质点运动模型图；
图3是质点运动轨迹图。
具体实施方式
一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，具体流程如图1所示，其包括如下步骤：
S1：将陀螺处在静态环境中；
S2：周期性给予正交回路一个脉冲信号P，使陀螺的正交控制力变为
Figure 31715DEST_PATH_IMAGE011
，同 时改变激励A电极和激励Q电极的增益差
Figure 665959DEST_PATH_IMAGE012
，使激励A电极提供的控制力扩大
Figure 700911DEST_PATH_IMAGE013
倍，并实时将对应的
Figure 720689DEST_PATH_IMAGE014
及
Figure 753367DEST_PATH_IMAGE015
值传输给频率追踪回路；
S3：频率追踪回路根据
Figure 874906DEST_PATH_IMAGE011
及
Figure 464282DEST_PATH_IMAGE017
值，记录下第k次脉冲信号施加后的下一 个陀螺控制周期的频率追踪回路输出
Figure 26981DEST_PATH_IMAGE006
；
S4：调取预先存储的基准频率追踪回路输出
Figure 292878DEST_PATH_IMAGE018
，并将
Figure 885402DEST_PATH_IMAGE006
减去
Figure 527736DEST_PATH_IMAGE019
，得到相应的扰动 值
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，并将
Figure 686885DEST_PATH_IMAGE027
的值与相应的
Figure 123683DEST_PATH_IMAGE017
值一起存储；
S5：将最小的扰动值对应的
Figure 891918DEST_PATH_IMAGE012
值反馈给上位机，上位机控制激励A电极提供的 正交控制力扩大
Figure 587211DEST_PATH_IMAGE022
倍。
半球谐振陀螺运动微分方程可以基于基尔霍夫—李雅夫假设推导得到，假设外部输入角速度远小于谐振子的谐振频率，谐振子假定是理想的，不存在阻尼、质量不均匀等误差；将谐振子各点的位移按不可拉伸薄壳的二阶固有振型展开，采用布勃诺夫—加廖尔金法列出描述谐振子环向波数n=2阶固有振型的动力学方程，并代入限定参数，从而可以得到描述谐振子半球壳唇缘的n=2阶固有振型动力学方程如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（1）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示X电极和Y电极处谐振子振动位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为进动系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为输入角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
表示阻尼不均，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
表示阻尼轴位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为振动频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为频率裂解误差项，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表 示频率轴的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
表示在X轴和Y轴施加的控制力，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
表示X电极处谐振子振动位移的 一阶微分，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
表示X电极处谐振子振动位移的二阶微分，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
表示Y电极处谐振子振动位移的 一阶微分，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示Y电极处谐振子振动位移的二阶微分，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为从振动模态的进动系数，一般 与主振动模态进动系数
Figure 717978DEST_PATH_IMAGE034
相同,
Figure 840524DEST_PATH_IMAGE061
表示输入角速度的一阶微分。
此模型等效于二维-弹簧质点模型如图2。陀螺谐振子振动信息可以用椭圆参数抽象的表示，如图3。
用待定系数法可对式（1）求解，得到
Figure 892793DEST_PATH_IMAGE017
误差会引起正交回路和频率追踪回路 的耦合，该耦合量和
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的大小正相关，可以表示为式（2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
（2）
其中
Figure 505958DEST_PATH_IMAGE042
表示激励频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
表示正交控制力输出。由式（2）可以看出，当给予正交回 路扰动时，若存在
Figure 428915DEST_PATH_IMAGE062
，频率追踪回路输出
Figure 456782DEST_PATH_IMAGE042
就会同时被扰动，本专利基于此原理对
Figure 996348DEST_PATH_IMAGE010
标定。标定后，可以有效消除由于
Figure 518596DEST_PATH_IMAGE015
误差引起的正交回路和频率追踪回路的耦 合，保证陀螺的精度。
优化的，脉冲信号P定义为
Figure 827218DEST_PATH_IMAGE023
，其中t为时间，以秒作为整数单位，通过 脉冲信号的设置，可以在很短的时间内得到多组数据，有利于后期的标定。
进一步，
Figure 793031DEST_PATH_IMAGE012
变化步长设定为0.0001，每次变化的时间为2秒，
Figure 554314DEST_PATH_IMAGE010
的变化区间 为[-0.1，0.1]。对
Figure 880253DEST_PATH_IMAGE015
的变化步长、频次及变化区间进行设定，可以与脉冲信号配合，短 时间内得到多组数据，有利于后期的标定。
进一步，步骤S4中数据存储时，设置一个二维矩阵，该二维矩阵为n*2的矩阵。在二 维矩阵的第k行第一列存储第k次脉冲信号对应的
Figure 43381DEST_PATH_IMAGE017
值，在二维矩阵的第k行第二列存 储扰动值
Figure 616314DEST_PATH_IMAGE027
，然后以第二列为索引进行排序，寻找出矩阵中存储的最小扰动值后，得 到与最小扰动值对应的
Figure 130472DEST_PATH_IMAGE062
值。
设置一个二维矩阵，并将
Figure 994522DEST_PATH_IMAGE012
值与扰动值
Figure 25539DEST_PATH_IMAGE027
一一对应储存在同行的不同 列内，有利于后期的排序比对，快速寻找出最小扰动值以及与其对应的
Figure 582422DEST_PATH_IMAGE010
值。
优化的，S1中陀螺处在静态环境中且陀螺振型固定在22.5°，此过程可以通过力反 馈回路实现。因为陀螺振型在22.5°时，由于
Figure 318297DEST_PATH_IMAGE012
误差引起的正交回路和频率追踪回路的 耦合最强，越容易标定。
进一步，每五小时重复一次步骤S1-S5，每隔五小时重复一次S1-S5，对激励电极误 差进行标定一次，可以有效消除由于
Figure 986039DEST_PATH_IMAGE012
误差引起的正交回路和频率追踪回路的耦合， 保证陀螺的精度。
综上所述，本发明提出的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，通过对 正交回路施加脉冲信号，使陀螺的正交控制力变为
Figure 107447DEST_PATH_IMAGE067
，激励A电极提供的控制力扩大
Figure 38494DEST_PATH_IMAGE004
倍，得到第k次脉冲信号施加后的下一个陀螺控制周期的频率追踪回路输出
Figure DEST_PATH_IMAGE068
， 再与基准频率追踪回路输出
Figure 481239DEST_PATH_IMAGE069
做减法，寻找出最小的扰动值后，得到与最小扰动值对应的
Figure 687093DEST_PATH_IMAGE010
值，利用
Figure 679319DEST_PATH_IMAGE010
值对正交控制力进行重新标定，可以将激励电极增益不一致误差
Figure 843584DEST_PATH_IMAGE017
消除，从而保证陀螺的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (6)

1.一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将陀螺处在静态环境中；
S2：周期性给予正交回路一个脉冲信号P，使陀螺的正交控制力变为
Figure 643211DEST_PATH_IMAGE002
，同时改变 激励A电极和激励Q电极的增益差
Figure 95052DEST_PATH_IMAGE004
，使激励A电极提供的控制力扩大
Figure 208370DEST_PATH_IMAGE006
倍，并 实时将对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 960426DEST_PATH_IMAGE004
值传输给频率追踪回路，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示加入脉冲信号P前的 正交控制力输出；
S3：频率追踪回路根据
Figure 736883DEST_PATH_IMAGE010
及
Figure DEST_PATH_IMAGE011
值，记录下第k次脉冲信号施加后的下一个陀 螺控制周期的频率追踪回路输出
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
S4：调取预先存储的基准频率追踪回路输出
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，并将
Figure 128550DEST_PATH_IMAGE013
减去
Figure 796292DEST_PATH_IMAGE016
，得到相应的扰动值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，并将
Figure 353919DEST_PATH_IMAGE018
的值与相应的
Figure 816124DEST_PATH_IMAGE011
值一起存储；
S5：将最小的扰动值对应的
Figure 39295DEST_PATH_IMAGE004
值反馈给上位机，上位机控制激励A电极提供的正交 控制力扩大
Figure DEST_PATH_IMAGE019
倍。
2.根据权利要求1所述的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于， 脉冲信号P定义为
Figure 228837DEST_PATH_IMAGE020
，其中t为时间，以秒作为整数单位。
3.根据权利要求1所述的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
变化步长设定为0.0001，每次变化的时间为2秒，
Figure 689905DEST_PATH_IMAGE011
的变化区间为[-0.1，0.1]。
4.根据权利要求1所述的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于， 步骤S4中数据存储时，设置一个二维矩阵，在二维矩阵的第k行第一列存储第k次脉冲信号 对应的
Figure 588591DEST_PATH_IMAGE021
值，在二维矩阵的第k行第二列存储扰动值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，然后以第二列为索引进 行排序，寻找出矩阵中存储的最小扰动值后，得到与最小扰动值对应的
Figure 721894DEST_PATH_IMAGE004
值。
5.根据权利要求1所述的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于，S1中陀螺处在静态环境中且陀螺振型固定在22.5°。
6.根据权利要求1所述的一种全角半球谐振陀螺激励电极误差补偿方法，其特征在于，每五小时重复一次步骤S1-S5。
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