CN114964195B - 一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法 - Google Patents

一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，包括如下流程：进行温循试验，采用驱动振型正反转进动模式，录取陀螺输出角速度信号及谐振频率信号传输给计算模块；计算模块每隔时间
Figure 204864DEST_PATH_IMAGE002
将数据求取均值，得到陀螺角速度及谐振频率信号序列并输入到
Figure 729780DEST_PATH_IMAGE004
，得到常值漂移温度补偿系数；重复步骤S1，再次形成信号序列，并将数据传输给计算模块；计算模块根据式
Figure 754368DEST_PATH_IMAGE006
计算出温度补偿之后的陀螺角速度信号。本发明提供的方法通过主动驱动振型正反转模式消除陀螺标度误差和对称性漂移误差，然后对陀螺角速度进行温度补偿，使陀螺角速度输出更加准确。

Description

一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法。
背景技术
谐振陀螺是利用谐振子振动驻波在哥氏力作用下沿环向进动来敏感外界角速度的一种振动陀螺，具有测量精度高，稳定性和可靠性高，工作寿命长，体积小，噪声低，加速度不敏感，抗冲击、过载、辐射能力强等优点，同时具有独特的瞬间断电工作保持能力，在空间领域受到越来越多的关注和应用。
但是在陀螺运行过程中，由于陀螺加工工艺和线路设计工艺误差，陀螺会产生一定的温度变化，使造成一定程度的漂移而影响陀螺的精度。传统谐振陀螺在温度补偿时，由于陀螺漂移中包含标度误差部分、周期性漂移部分以及常值漂移部分，它们由于产生根源不同导致其随温度变化的趋势不同，很难用一组温度补偿参数对其进行补偿。因此，本专利设计一种新的工作模式分离以上不同性质的漂移，在此基础上进行温度补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，基于主动驱动振型正反转调制的工作模式解决陀螺输出信号中的对称性漂移和标度误差，并针对剩余常值漂移和随温度变化的特点，对角速度信号进行温度补偿，达到提高陀螺精度和稳定性的目的。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其包括如下步骤：
S1：按温度循环谱进行温循试验，陀螺采用驱动振型正反转进动的工作模式，通过 信号输出模块以设定的录数频率r录取陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i的实时 数据，并形成陀螺输出角速度信号序列
Figure 292720DEST_PATH_IMAGE001
及谐振频率信号序列
Figure 305675DEST_PATH_IMAGE002
，并将G1和F1传输给计算模块；
S2：计算模块每隔时间
Figure 17541DEST_PATH_IMAGE003
将陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i求取均值， 得到陀螺角速度信号序列
Figure 697921DEST_PATH_IMAGE004
及谐振频率信号序列
Figure 968366DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 609563DEST_PATH_IMAGE006
，谐振频率信号序列
Figure 623655DEST_PATH_IMAGE007
，j=1，2，3… t*r*3600/T，
Figure 925586DEST_PATH_IMAGE003
表示驻波进动一个周期的时间，r为录数 频率；
S3：将陀螺角速度信号序列
Figure 976718DEST_PATH_IMAGE008
和陀螺频率信号
Figure 229845DEST_PATH_IMAGE009
输入到 式（1），得到常值漂移的温度补偿系数
Figure 47628DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 437021DEST_PATH_IMAGE011
，k0、k1、k2、k3分别为温度补偿模 型中的常数项、频率一次方项、频率二次方项和频率三次方项的系数；
Figure 190214DEST_PATH_IMAGE012
（1）
S4：重复步骤S1，形成陀螺输出角速度序列
Figure 432102DEST_PATH_IMAGE013
及谐振频率信 号序列
Figure 522417DEST_PATH_IMAGE014
，并将数据传输给计算模块；
S5：计算模块再根据式（2）计算出温度补偿之后的陀螺输出角速度信号；
Figure 907262DEST_PATH_IMAGE015
（2）
其中：G为陀螺角速度信号序列，Gs为拟合陀螺角速度序列，Gc为温度补偿后陀螺角速度。
进一步，试验时陀螺敏感轴指向地速为零点。
优化的，S1中录数频率r=100Hz。
优化的，步骤S1试验时间为3小时。
优化的，驻波进动一个周期的时间
Figure 955990DEST_PATH_IMAGE003
为20秒。
发明的有益效果
本发明提供的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，具有如下优点：1、主动施加控制力驱动陀螺振型主动进动，通过驱动振型正反调制掉陀螺周期型漂移和标度误差，提高陀螺长期稳定性。
2、该方案只需通过施加控制力控制振型进动，不需要旋转机构控制，即可达到陀螺旋转调制的功能，减小陀螺漂移，提高陀螺输出精度。
3、针对陀螺剩余常值漂移随温度变化的情况，设计了温度补偿模型，对陀螺输出角速度进行温度补偿，有效提高了振型驱动过程中的陀螺稳定性。
附图说明
图1是陀螺振型正反转调制输出示意图；
图2是陀螺频率-温度特性曲线图；
图3是陀螺频率-温度误差曲线图；
图4是温度循环普曲线示意图。
具体实施方式
一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其包括如下步骤：
S1：按温度循环谱进行温循试验，陀螺采用驱动振型正反转进动的工作模式，通过 信号输出模块以设定的录数频率r录取陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i的实时 数据，并形成陀螺输出角速度信号序列
Figure 183709DEST_PATH_IMAGE001
及谐振频率信号序列
Figure 218661DEST_PATH_IMAGE002
，并将G1和F1传输给计算模块；
通过驱动振型正反转进动的工作模式，陀螺标度误差、对称性漂移就可以被消除，使残余的误差只剩常值漂移。
S2：计算模块每隔时间
Figure 84111DEST_PATH_IMAGE003
将陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i求取均值， 得到陀螺角速度信号序列
Figure 38160DEST_PATH_IMAGE016
及谐振频率信号序列
Figure 894121DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 326239DEST_PATH_IMAGE006
，谐振频率信号序列
Figure 810310DEST_PATH_IMAGE007
，j=1，2，3… t*r*3600/T，
Figure 76207DEST_PATH_IMAGE003
表示驻波进动一个周期的时间，r为录数 频率；
每隔时间
Figure 514403DEST_PATH_IMAGE003
将录取的陀螺角速度数据求取均值，可以确保陀螺角速度均值仅包含 陀螺常值漂移。
S3：将陀螺角速度信号序列
Figure 156737DEST_PATH_IMAGE008
和陀螺频率信号
Figure 495315DEST_PATH_IMAGE009
输入到 式（1），得到常值漂移的温度补偿系数
Figure 791167DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 356140DEST_PATH_IMAGE011
，k0、k1、k2、k3分别为温度补偿模 型中的常数项、频率一次方项、频率二次方项和频率三次方项的系数；
Figure 130061DEST_PATH_IMAGE012
（1）
S4：重复步骤S1，形成陀螺输出角速度序列
Figure 101908DEST_PATH_IMAGE013
及谐振频率信 号序列
Figure 568662DEST_PATH_IMAGE014
，并将数据传输给计算模块；
S5： 计算模块再根据式（2）计算出温度补偿之后的陀螺输出角速度信号；即将陀螺输出角速度信号进行了温度补偿。
Figure 355352DEST_PATH_IMAGE015
（2）
其中：G陀螺角速度信号序列，Gs为拟合陀螺角速度序列，Gc为温度补偿后陀螺角速度。
补偿原理如下：
由于半球谐振陀螺具有多阶振动模态，振型的进动系数（振型转过的角度与陀螺 敏感轴转过角度的比值）会随环向波数n增加而单调减小。为便于振型检测一般选用n=2的 二阶振动模态。二阶振动模态为四波腹振动，波腹和波节点在空间上相距45°。半球谐振陀 螺振型的运动方程是一个二阶线性微分方程组，方程组的两个方程分别描述了谐振子沿
Figure 932964DEST_PATH_IMAGE017
轴方向和与
Figure 511713DEST_PATH_IMAGE017
轴方向在空间上呈45°的
Figure 24734DEST_PATH_IMAGE018
轴方向的振动，基于Lynch的非理想谐振子 误差模型，得到半球谐振陀螺运动方程为式（3）：
Figure 924819DEST_PATH_IMAGE019
（3）
其中：
Figure 571701DEST_PATH_IMAGE020
为Paoli矩阵；
Figure 614743DEST_PATH_IMAGE021
为布莱恩系 数，约等于0.27；
Figure 423299DEST_PATH_IMAGE022
为相互正交的检测轴
Figure 309216DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 369576DEST_PATH_IMAGE023
处的位移；
Figure 893223DEST_PATH_IMAGE024
为谐振子受 到的控制力；
Figure 138260DEST_PATH_IMAGE025
表示陀螺的频率裂解值；
Figure 386838DEST_PATH_IMAGE026
表示陀螺的平均频率；
Figure 109944DEST_PATH_IMAGE027
表示频率轴与电极 轴的夹角；
Figure 721054DEST_PATH_IMAGE028
表示谐振子周向平均阻尼，
Figure 904035DEST_PATH_IMAGE029
表示谐振子周向 阻尼不均，将陀螺角速度信号序列
Figure 374331DEST_PATH_IMAGE008
和陀螺频率信号
Figure 635548DEST_PATH_IMAGE009
输入到式 （1），得到常值漂移的温度补偿系数
Figure 897902DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 360108DEST_PATH_IMAGE030
，k0、k1、k2、k3分别为温度补偿模型 中的常数项、频率一次方项、频率二次方项和频率三次方项的系数；
Figure 442333DEST_PATH_IMAGE012
（1）
S4：重复步骤S1，形成陀螺输出角速度序列
Figure 274285DEST_PATH_IMAGE013
及谐振频率信 号序列
Figure 933DEST_PATH_IMAGE014
，并将数据传输给计算模块；
S5： 计算模块再根据式（2）计算出温度补偿之后的陀螺输出角速度信号；即将陀螺输出角速度信号进行了温度补偿。
Figure 758673DEST_PATH_IMAGE015
（2）
其中：G陀螺角速度信号序列，Gs为拟合陀螺角速度序列，Gc为温度补偿后陀螺角速度。
补偿原理如下：
由于半球谐振陀螺具有多阶振动模态，振型的进动系数（振型转过的角度与陀螺 敏感轴转过角度的比值）会随环向波数n增加而单调减小。为便于振型检测一般选用n=2的 二阶振动模态。二阶振动模态为四波腹振动，波腹和波节点在空间上相距45°。半球谐振陀 螺振型的运动方程是一个二阶线性微分方程组，方程组的两个方程分别描述了谐振子沿
Figure 328195DEST_PATH_IMAGE017
轴方向和与
Figure 72160DEST_PATH_IMAGE017
轴方向在空间上呈45°的
Figure 43527DEST_PATH_IMAGE018
轴方向的振动，基于Lynch的非理想谐振子 误差模型，得到半球谐振陀螺运动方程为式（3）：
Figure 473633DEST_PATH_IMAGE019
（3）
其中：
Figure 405817DEST_PATH_IMAGE020
为Paoli矩阵；
Figure 78107DEST_PATH_IMAGE021
为布莱恩系 数，约等于0.27；
Figure 903981DEST_PATH_IMAGE022
为相互正交的检测轴
Figure 878890DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 423004DEST_PATH_IMAGE023
处的位移；
Figure 134870DEST_PATH_IMAGE024
为谐振子受 到的控制力；
Figure 690616DEST_PATH_IMAGE025
表示陀螺的频率裂解值；
Figure 961061DEST_PATH_IMAGE026
表示陀螺的平均频率；
Figure 726891DEST_PATH_IMAGE027
表示频率轴与电极 轴的夹角；
Figure 616350DEST_PATH_IMAGE028
表示谐振子周向平均阻尼，
Figure 416816DEST_PATH_IMAGE029
表示谐振子周向 阻尼不均，
Figure 359626DEST_PATH_IMAGE031
相关的周期性变化的漂移，半球谐振陀螺的漂移对角度整周期求积分可以均 和大部分的漂移。所以半球谐振陀螺可采用主动控制振型进动的工作模式激发出陀螺对称 性漂移并消除：即控制系统每一只陀螺在全角模式下，通过额外施加进动控制信号Cp，主动 地驱使陀螺谐振子驻波振型连续进动，使陀螺漂移呈现周期性变化，在整周期内的积分近 似为零，从而减小系统误差随时间的积累。
通过式(7)的陀螺漂移特性，可以分析出陀螺振型主动进动时陀螺角速度输出误差。
首先，对陀螺角速度输出进行积分并求均值得到式（8）：
Figure 488119DEST_PATH_IMAGE032
(8)
其中：
Figure 305902DEST_PATH_IMAGE033
表示驻波进动一个周期的时间；t0表示驻波进动一个周期内的任 意时刻；
Figure 960875DEST_PATH_IMAGE034
表示驻波振型进动的速度。
求取均值后，此时陀螺角速度输出中仍含有扣除主动施加的控制力后的剩余误差
Figure 448488DEST_PATH_IMAGE035
，其中施力标度误差为
Figure 188911DEST_PATH_IMAGE036
且其值会随温度和时间变化产生累积误差，因此 可以通过主动驱动振型正反旋转进动的方法来抵消标度误差的影响，即驱动驻波振型在
Figure 34552DEST_PATH_IMAGE037
区间内周期性的正向、反向进动，则根据式（8）可得到式（9）：
Figure 419397DEST_PATH_IMAGE038
（9）
其中
Figure 468124DEST_PATH_IMAGE039
为剩余常值误差。
从式（9）可以看出，通过驻波振型主动正反旋转进动，陀螺标度误差、对称性漂移被消除，残余的误差只剩常值漂移。而剩余常值漂移随温度的变化是影响陀螺精度的主要因素，因此，需对该常值漂移进行温度补偿。
半球谐振陀螺采用频率跟踪回路来锁定谐振子的谐振频率，可以采集到频率的变化，而陀螺谐振频率变化与温度的变化具有很强的相关性，如图2所示。因此，可以利用陀螺谐振频率的变化代替温度的变化对陀螺漂移进行补偿。
而频率补偿模型多采用多项式模型，使用最小二乘法对陀螺误差参数-频率样本进行多项式拟合，就可以得到频率补偿多项式模型如补偿过程S3中的式（1）及S5中的（2）所示：
Figure 695843DEST_PATH_IMAGE012
（1）
因此，具体补偿时通过本申请的步骤S1-S3，就可以计算出常值漂移的温度补偿系 数
Figure 730795DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 94781DEST_PATH_IMAGE010
是一个包含参数k0、k1、k2、k3的集合，参数k0、k1、k2、k3分别为温度补 偿模型中的常数项、频率一次方项、频率二次方项和频率三次方项的系数，因此如S4-S5所 述将求出的温度补偿系数代入式（2）就可以对陀螺的角速度信号进行温度补偿而得到温度 补偿后陀螺角速度。
进一步，试验时陀螺敏感轴指向地速为零点，此时的陀螺输出角速度信号仅包含常值漂移，即对应最小二乘拟合只拟合陀螺常值漂移信号，更加方便分析补偿。
优化的，S1中录数频率r=100Hz，方便录取多个数据，形成陀螺输出角速度信号序列，并求取均值，使计算出的温度补偿系数更加准确。
优化的，步骤S1试验时间为3小时，可以使系统能够有充足的时间录取数据及计算，并对陀螺输出角速度信号进行温度补偿。
优化的，驻波进动一个周期的时间
Figure 550295DEST_PATH_IMAGE003
为20秒，使驱动振型周期性正反转进动，方便 消除陀螺标度误差、对称性漂移。
综上所述，本发明提出的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，通过主动驱动振型正反转调制的工作模式消除了陀螺标度误差和对称性漂移误差，并针对剩余常值漂移随温度变化的特点对陀螺角速度进行了温度补偿，最终使能够提高陀螺精度和稳定性，具有工程应用价值。
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 (5)

1.一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1： 按温度循环谱进行温循试验，陀螺采用驱动振型正反转进动的工作模式，通过信 号输出模块以设定的录数频率r录取陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i的实时数 据，并形成陀螺输出角速度信号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE001
及谐振频率信号序列
Figure 914196DEST_PATH_IMAGE002
，并将G1和F1传输给计算模块；
S2：计算模块每隔时间
Figure DEST_PATH_IMAGE003
将陀螺输出角速度信号g1i及谐振频率信号f1i求取均值，得到 陀螺角速度信号序列
Figure 690391DEST_PATH_IMAGE004
及谐振频率信号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 158544DEST_PATH_IMAGE006
，谐振频率信号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，j=1，2，3… t*r* 3600/T，
Figure 22595DEST_PATH_IMAGE003
表示驻波进动一个周期的时间，r为录数频率；
S3：将陀螺角速度信号序列
Figure 758338DEST_PATH_IMAGE008
和陀螺频率信号
Figure DEST_PATH_IMAGE009
输入到式 （1），得到常值漂移的温度补偿系数
Figure 784063DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，k0、k1、k2、k3分别为温度补偿模型 中的常数项、频率一次方项、频率二次方项和频率三次方项的系数；
Figure 146037DEST_PATH_IMAGE012
（1）
S4：重复步骤S1，形成陀螺输出角速度序列
Figure DEST_PATH_IMAGE013
及谐振频率信号序 列
Figure 63046DEST_PATH_IMAGE014
，并将数据传输给计算模块；
S5： 计算模块再根据温度补偿模型式（2）计算出温度补偿之后的陀螺输出角速度信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（2）
其中G为陀螺角速度信号序列，Gs为拟合陀螺角速度序列，Gc为温度补偿后陀螺角速度序列。
2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其特征在于，试验时陀螺敏感轴指向地速为零点。
3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其特征在于，S1中录数频率r=100Hz。
4.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其特征在于，步骤S1试验时间为3小时。
5.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法，其特征在于，驻 波进动一个周期的时间
Figure 561286DEST_PATH_IMAGE003
为20秒。
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