CN114858184A - 一种半球谐振子参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半球谐振子参数辨识方法,包括自激励角速度施加、陀螺内部控制力信号输出、陀螺误差演化模型与谐振子参数反解辨识模型构建和单轴正反转自标定等环节;构建了一套带有自激励控制模块的速率HRG控制系统仿真模型,能够完成自激励角速度施加、陀螺误差自标定以及两种反解模型下的谐振子参数自主辨识。本发明能够在陀螺仪工作环境下,全生命周期内任意阶段,利用自激励完成谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角快速自主辨识,为利用各种方法手段,如基于自激励的速率/速率积分HRG自补偿(力补偿),抑制非等阻尼误差,降低谐振振型漂移误差,提高陀螺输出角速度/角增量精度,创造了应用条件,提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明属于惯性仪表、半球谐振陀螺,涉及一种半球谐振子参数辨识方法。
背景技术
其中,x和y分别代表半球谐振子0°和45°方向检测到的振动位移信号,fx、fy分别为x和y方向驱动电极施加的静电驱动力和静电反馈力,和为哥氏效应产生的哥氏力耦合项,K为进动因子,Ω为激励角速度;τ为振荡衰减时间常数,其中τ1和τ2分别为最大和最小“阻尼简正轴”上谐振子的振荡衰减时间常数,为非等阻尼误差系数,θτ为最大阻尼轴与x轴之间的夹角,其中ω1和ω2分别为最大和最小“刚度简正轴”上谐振子的固有振动角频率,Δω为非等弹性误差系数,θω为最小刚度轴与x轴之间的夹角;
谐振子部分参数定义如图1所示。
将动力学模型中的哥氏力耦合项移至等式右侧,转变成虚拟哥氏力,并通过驱动电极施加该虚拟哥氏力,陀螺将由被动式变为主动式。主动施加的虚拟哥氏力将改变检测模态振动状态,等效于外部角速度激励所产生哥氏力的影响,实现陀螺自激励角速度的施加。
速率HRG敏感角速度输出的计算有两种方式,方式一,利用正交解调参考信号(ωd趋于ωx,趋于)解调静电反馈力fy,即其中,标度因数零偏方式二,利用静电反馈力fy和静电驱动力fx的比值,即其中,标度因数零偏利用单轴正反转方法,并结合上述速率HRG误差演化模型,可标定获得两种角速度解算方式下的陀螺标度因数和零偏误差。
三件套半球谐振陀螺的基本组成为激励电极、驱动电极和半球谐振子。基于玻璃吹制工艺制造的半球谐振子,存在严重的加工误差,这导致谐振结构存在频率裂解和阻尼不对称性。半球谐振子参数具体包括:非等阻尼误差幅值和主轴(最大阻尼轴)偏角、非等弹性误差幅值和主轴(最小刚度轴)偏角等。这些参数的高精度测量,是有效利用静电负刚度调修、质量调平等手段,抑制谐振结构误差的前提。现有的谐振子检测方法需要借助外部设备,如圆度测量仪、激光多普勒测振仪等;使用多种工程测试手段,如模态扫频测试、振荡衰减测试等,能够高精度完成非等弹性与非等阻尼误差幅值和主轴偏角的辨识工作。然而,谐振子工作环境与测试环境间的差异性,会引起谐振子参数的变化,基于外部设备和严格工程测试手段的高精度测量操作复杂,设备成本高,消耗时间长,甚至需要在谐振子未封装成陀螺表头前完成,测量参数的可靠性难以在陀螺长期工作中保持,这将严重影响陀螺仪输出的全生命周期内高精度保持能力。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种半球谐振子参数辨识方法,是基于自激励的半球谐振子参数辨识方法,能够在陀螺仪工作环境下,全生命周期内任意阶段,利用自激励完成谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角快速自主辨识,为利用各种方法手段,如基于自激励的速率/速率积分HRG自补偿(力补偿),抑制非等阻尼误差,降低谐振振型漂移误差,提高陀螺输出角速度/角增量精度,创造了应用条件,提供了解决方案。
技术方案
一种半球谐振子参数辨识方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、速率HRG自激励:通过内部信号处理,利用自激励控制模块产生速率HRG自激励,完成虚拟哥氏力在检测模态上的施加,等效于外部角速度激励所产生哥氏力的影响;
步骤2、速率HRG误差自标定:
情况1步骤2-2:在利用工程测试手段获得非等阻尼误差主轴偏角θτ的前提下,利用式1中的静电反馈力fy,得在利用正交解调参考信号其中ωd趋于ωx,趋于解调静电反馈力fy的方式获得角速度输出时,其中标度因数零偏
再采用单轴正反转标定公式:标定获得标度因数SF1和零偏B2
情况1步骤3、谐振子参数反解辨识:
采用单轴正反转标定公式:标定获得标度因数SF2和零偏B2
情况2步骤3、谐振子参数反解辨识:
有益效果
本发明提出的一种半球谐振子参数辨识方法,是一种基于自激励的半球谐振子参数辨识方法,用于实现工作环境下、不借助外部设备和常规工程测试手段的谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角的自主快速辨识。
半球谐振子(hemispherical resonator)参数辨识方法主要分三步。第一步,速率HRG自激励。利用内部信号处理,完成虚拟哥氏力在检测模态上的施加,等效于外部角速度激励所产生哥氏力的影响;第二步,速率HRG误差自标定。在利用自激励完成两等大反向、正/负角速度施加,获得正/负角速度激励下静电反馈力和静电驱动力输出的前提下,根据特定角速度解算方式下的速率HRG误差演化模型,利用单轴正反转方法,标定模型中的标度因数和零偏误差参数;第三步,谐振子参数反解辨识。根据速率HRG误差演化模型中标度因数和零偏误差与谐振子非等阻尼误差系数的关系,利用标度因数和零偏误差自标定结果,反解非等阻尼误差系数,完成谐振子参数辨识。
从本质上来看,在力平衡模式下,静电反馈力fy中误差成分和静电驱动力fx的大小,取决于谐振子振动阻尼(振荡衰减时间常数τ的倒数)和非等阻尼误差的大小;而在利用fx和fy求解陀螺敏感角速度输出时,两者受谐振子振动阻尼和非等阻尼误差的影响,将转化到速率HRG误差演化模型中标度因数SF和零偏误差B中。根据理论上非等阻尼误差系数与速率HRG标度因数和零偏误差的关系,在高精度速率HRG误差自标定的基础上,便能够完成谐振子非等阻尼误差系数的反解,实现谐振子参数自主辨识。
本发明提出了一种利用施加虚拟哥氏力等效外界角速度激励的速率HRG自激励方案;
提出了基于自激励的半球谐振子参数辨识整体流程和具体实施步骤,包括自激励角速度施加、陀螺内部控制力信号输出、陀螺误差演化模型与谐振子参数反解辨识模型构建和单轴正反转自标定等环节;
构建了一套带有自激励控制模块的速率HRG控制系统仿真模型,能够完成自激励角速度施加、陀螺误差自标定以及两种反解模型下的谐振子参数自主辨识。
本发明提出的基于自激励的半球谐振子参数辨识方法,能够在陀螺仪工作环境下,全生命周期内任意阶段,利用自激励完成谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角快速自主辨识,为利用各种方法手段,如基于自激励的速率/速率积分HRG自补偿(力补偿),抑制非等阻尼误差,降低谐振振型漂移误差,提高陀螺输出角速度/角增量精度,创造了应用条件,提供了解决方案。
附图说明
图1:谐振子最大阻尼轴和最小刚度轴分布图
图2:基于自激励的谐振子非等阻尼误差幅值辨识方案整体流程图
图3:基于自激励的谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角联合辨识方案整体流程图
图4:基于自激励的谐振子非等阻尼误差幅值辨识实现图
图5:基于自激励的谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角联合辨识实现图
在谐振子参数高精度自主辨识的基础上,可利用基于自激励的静电力补偿等多种方法,极大程度上降低谐振子非等阻尼误差对陀螺输出精度的影响。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
基于自激励的谐振子参数辨识实现如图4和图5所示,图中虚拟哥氏力fc、静电反馈力fy和静电驱动力fx的信号曲线均表示初始相位下的输出状态,且定义施加在谐振子上的控制力均向外为正(即沿谐振子赤道径向向外为正)、谐振信号的初始相位为余弦形式。
具体实现步骤:
1.在施加正/反转自激励角速度(如图4(a1)(a2)、图5(a1)(a2))的情况下,利用自激励控制模块在谐振子上分别施加沿其赤道径向向外/向内的虚拟哥氏力(如图4(b1)(b2)、图5(b1)(b2)),在力平衡模式下,产生相应的静电反馈力输出(沿谐振子赤道径向向内/向外,如图4(c1)(c2)和图5(c1)(c2))以及维持谐振振型振动状态的静电驱动力(如图5(c3)(c4)),完成陀螺内部误差激励以及在各静电控制力中的显现;
2.根据静电反馈力输出,利用单轴正反转标定公式,获得速率HRG标度因数SF1和零偏误差B1标定结果(如图4(d)(e)),
3.根据静电反馈力和静电驱动力输出,获得该角速度解算模式下,速率HRG误差演化模型的标度因数SF2和零偏误差B2自标定结果(如图5(d)(e));
4.根据非等阻尼误差幅值与零偏误差的关系,并利用工程测量获得的谐振子最大阻尼轴方位,反解得非等阻尼误差幅值自标定结果为3.1182e-05(如图4(f)),谐振子最大阻尼轴和最小阻尼轴之间的非等阻尼误差理论值为3.1194e-05,该参数辨识误差为1.2e-08;
5.根据非等阻尼误差系数(幅值和主轴偏角)与速率HRG误差演化模型参数的关系,反解得非等阻尼误差主轴偏角自标定结果为22.0343°(如图5(g)),谐振子最大阻尼轴和0°电极轴的夹角理论值为22.5°,该参数辨识误差为0.4657°;非等阻尼误差幅值自标定结果为3.1389e-05,谐振子最大阻尼轴和最小阻尼轴之间的非等阻尼误差理论值为3.1194e-05,该参数辨识误差为1.95e-07。
Claims (2)
1.一种半球谐振子参数辨识方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、速率HRG自激励:通过内部信号处理,利用自激励控制模块产生速率HRG自激励,完成虚拟哥氏力在检测模态上的施加,等效于外部角速度激励所产生哥氏力的影响;
步骤2、速率HRG误差自标定:
情况1步骤2-2:在利用工程测试手段获得非等阻尼误差主轴偏角θτ的前提下,利用式1中的静电反馈力fy,得在利用正交解调参考信号其中ωd趋于ωx,趋于解调静电反馈力fy的方式获得角速度输出时,其中标度因数零偏
再采用单轴正反转标定公式:标定获得标度因数SF1和零偏B2
情况1步骤3、谐振子参数反解辨识:
采用单轴正反转标定公式:标定获得标度因数SF2和零偏B2
情况2步骤3、谐振子参数反解辨识:
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Cited By (3)
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CN115060293A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-09-16 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法 |
CN115420269A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-02 | 中国人民解放军国防科技大学 | 谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台 |
CN116465384A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-07-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于模态反转的半球谐振陀螺漂移误差补偿方法 |
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2022
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CN115060293B (zh) * | 2022-08-16 | 2022-11-25 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法 |
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