CN115451999A - 半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置。该方法包括：提取谐振子的驱动模态振动速度信息；依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。本发明解决了相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题。
Description
技术领域
本发明涉及惯性仪表技术应用领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置。
背景技术
从陀螺仪整体发展上来看，现有大多数陀螺仪均属于被动式陀螺仪，仅完成敏感外界角速度激励的任务，输出角速度信息。然而，由于被动式陀螺仪在线免拆卸自调整能力有限，工作环境复杂多变和自身损耗使其难以在全生命周期内保持高精度输出；从速率积分半球谐振陀螺具体应用上来看，其独特的工作特性，使得其零偏呈现周期变化性，是与激励角速度和驻波方位角四次谐波相关的周期量，而并非某一常值。半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，现有标定与补偿方法难以解决其存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题，这也严重影响了速率积分半球谐振陀螺及以其为角度敏感器的捷联惯性导航系统的输出精度。
针对目前相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，现有技术中的标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题，目前尚未得到有效的解决。
发明内容
本发明实施例提供了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置，以至少解决相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，包括：提取谐振子的驱动模态振动速度信息；依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
可选的，提取谐振子的驱动模态振动速度信息包括：在谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取驱动模态振动速度信息。
进一步地，可选的，在谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取驱动模态振动速度信息包括：通过驱动电极对所述谐振子施力，控制所述谐振子起振；其中，驱动模态振动信号幅值由0增大至参考幅值的附近区间；通过频相跟踪回路跟踪驱动模态振动信号的频率和相位，生成解调参考信号，其中，所述解调参考信号的频率在所述驱动模态谐振频率的附近区间；依据所述谐振子起振时的驱动模态振动信号幅值和所述解调参考信号频率，得到所述驱动模态振动速度信息。
可选的，依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力包括：利用驻波方位角信息对所述驱动模态振动速度信息进行分解，获得x轴和y轴方向谐振子的实时振动速度信息。
进一步地，可选的，该方法还包括：利用自激励控制模块实时提取驻波进动过程中的所述驱动模态振动速度信息，并依据自激励角速度信息，生成虚拟哥氏电压信号。
可选的，将虚拟哥氏力作用于检测模态包括：利用驻波方位角信息对所述虚拟哥氏力信号进行分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态。
进一步地，可选的，该方法还包括：利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，对虚拟哥氏力进行分解，并将分解后的虚拟哥氏力分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，产生正交波，正交波与主波相互耦合，引起驻波波腹轴进动，其中，x轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的二倍呈余弦关系；在检测模态上施加拟正交控制力，对频差进行抑制，利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，检测模态拟正交控制力信号分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，其中，x轴方向拟正交控制力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向拟正交控制力与驻波方位角的二倍呈余弦关系；通过虚拟哥氏力引起驻波有效进动，完成速率积分HRG自激励角速度的施加，通过对驻波方位角变化量的检测，实现对陀螺敏感角速度的检测和输出。
可选的，该方法还包括：在谐振子起振和振动保持的情况下，半球谐振陀螺工作于无外界角速度输入的开环模式，其中，当无非等阻尼误差引起的驻波方位角漂移时，无外界角速度输入的开环模式包括：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率,ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用。
可选的，该方法还包括：当半球谐振陀螺工作在检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式时，半球谐振陀螺0°和45°电极轴方向振动位移的稳态响应为：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率，ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用，
虚拟哥氏力fcx,fcy将引起谐振振型的有效进动，等效于速率积分HRG定轴转动所产生真实哥氏力的影响。
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置，包括：提取模块，用于提取谐振子的驱动模态振动速度信息；生成模块，用于依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；切换模块，用于将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
本发明实施例中，提取谐振子的驱动模态振动速度信息；依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。也就是说，本发明实施例能够解决相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题，从而达到了提升速率积分半球谐振陀螺单表及以其为角度敏感器的捷联惯导系统输出精度的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中HRG基本工作原理图；
图3为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中谐振振型进动特性分析图；
图4为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中速率积分HRG自激励实现原理图；
图5为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中带有自激励控制模块的速率积分HRG系统控制原理图；
图6为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中HRG动力学仿真模型图；
图7为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中带有自激励控制模块的速率积分HRG控制系统仿真模型图；
图8为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中速率积分HRG自激励实现图；
图9为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中自激励角速度输入+300°/s时，陀螺敏感角增量角速度输出精度及稳定情况图；
图10为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法的流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法包括：
步骤S102，提取谐振子的驱动模态振动速度信息；
可选的，提取谐振子的驱动模态振动速度信息包括：在谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取驱动模态振动速度信息。
进一步地，可选的，在谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取驱动模态振动速度信息包括：通过驱动电极对所述谐振子施力，控制所述谐振子起振；其中，驱动模态振动信号幅值由0增大至参考幅值的附近区间；通过频相跟踪回路跟踪驱动模态振动信号的频率和相位，生成解调参考信号，其中，所述解调参考信号的频率在所述驱动模态谐振频率的附近区间；依据所述谐振子起振时的驱动模态振动信号幅值和所述解调参考信号频率，得到所述驱动模态振动速度信息。
步骤S104，依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；
可选的，依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力包括：利用驻波方位角信息对所述驱动模态振动速度信息进行分解，获得x轴和y轴方向谐振子的实时振动速度信息。
进一步地，可选的，本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法还包括：利用自激励控制模块实时提取驻波进动过程中的所述驱动模态振动速度信息，并依据自激励角速度信息，生成虚拟哥氏电压信号。
步骤S106，将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
可选的，将虚拟哥氏力作用于检测模态包括：利用驻波方位角信息对所述虚拟哥氏力信号进行分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态。
进一步地，可选的，本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法还包括：利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，对虚拟哥氏力进行分解，并将分解后的虚拟哥氏力分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，产生正交波，正交波与主波相互耦合，引起驻波波腹轴进动，其中，x轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的二倍呈余弦关系；在检测模态上施加拟正交控制力，对频差进行抑制，利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，检测模态拟正交控制力信号分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，其中，x轴方向拟正交控制力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向拟正交控制力与驻波方位角的二倍呈余弦关系；通过虚拟哥氏力引起驻波有效进动，完成速率积分HRG自激励角速度的施加，通过对驻波方位角变化量的检测，实现对陀螺敏感角速度的检测和输出。
可选的，本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法还包括：在谐振子起振和振动保持的情况下，半球谐振陀螺工作于无外界角速度输入的开环模式，其中，当无非等阻尼误差引起的驻波方位角漂移时，无外界角速度输入的开环模式包括：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率,ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用。
可选的，本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法还包括：当半球谐振陀螺工作在检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式时，半球谐振陀螺0°和45°电极轴方向振动位移的稳态响应为：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率，ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用，
虚拟哥氏力fcx,fcy将引起谐振振型的有效进动，等效于速率积分HRG定轴转动所产生真实哥氏力的影响。
综上，本申请实施例提出的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，将现有速率积分半球谐振陀螺由被动式变为主动式，实现自激励角速度的施加，为抑制其周期变化性零偏误差、完成基于自激励的跳出死区、谐振振型进动速率中的漂移误差成分力补偿、单表级虚拟旋转调制、提升单表及以其为角度敏感器的捷联惯导系统输出精度，提供了全新的解决方案。
半球谐振陀螺(HRG，hemispherical resonance gyroscope)的基本工作原理如附图2所示，图2为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中HRG基本工作原理图，当存在外界角速度激励时，起振后半球谐振陀螺上的质点，不仅作径向运动，而且作圆周运动，进而产生哥氏加速度ac＝2Ω×v和哥氏力Fc＝-2mΩ×v。哥氏力的作用效果如附图2中虚线箭头所示，迫使谐振子在与主波波腹轴夹角45°方向，产生椭圆形状运动，即产生正交波。在全角模式下，谐振振型在哥氏力的作用下产生进动，谐振振型进动特性分析如附图3所示，图3为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中谐振振型进动特性分析图，由哥氏效应引起的检测模态响应，即正交波，与驱动模态响应，即主波，等效作用效果为引起主波波腹轴向与激励角速度相反方向进动，通过对驻波方位角变化量的检测，可实现对陀螺输入角速度的检测，并输出角增量信息。
本申请实施例提出了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法。依据哥氏效应和全角模式下HRG工作原理，该虚拟哥氏效应生成方法能够利用内部信号处理，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真实哥氏力的影响。HRG自激励的实现，需要完成提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力、将虚拟哥氏力作用于检测模态三大步骤。在全角模式下，谐振振型进动过程中驱动模态振动速度的提取有两种方式，方式一如附图4虚线所示，图4为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中速率积分HRG自激励实现原理图，直接提取x轴和y轴振动位移信号，并通过微分器生成
和
等效于获得驱动模态振动速度在两轴上的分量；方式二如附图4实线所示，利用陀螺内部幅值信号和解调参考信号，获得驱动模态振动速度信息，该方式具有依赖于陀螺内部高精度基准信号且不受驻波方位角影响的优势，本发明采用此方式。
在现有全角模式HRG控制电路的基础上，增加自激励控制模块，完成检测模态上虚拟哥氏力的施加，该驱动力能够产生等效于外界激励状态下的谐振振型有效进动。
速率积分HRG自激励的实现主要分为以下三个阶段：1)谐振子起振；2)谐振子振动保持；3)提取驱动模态振动速度信号，并利用驻波方位角信息进行信号分解，产生虚拟哥氏力分量，作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态。
上述三个阶段共包含两种工作模式，第一、二阶段HRG工作于无外界角速度输入的开环模式，第三阶段HRG工作于检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式。两种模式下振动位移的稳态响应如下：
1)无外界角速度输入的开环模式(假设无非等阻尼误差引起的驻波方位角漂移)
其中，x和y分别代表半球谐振陀螺0°和45°方向检测到的振动位移信号，Qx和Qy为x轴和y轴方向振动的品质因数，ωx和ωy为两方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，该角频率也将作为各交变驱动力的角频率使用；
2)检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式
其中，
虚拟哥氏力fcx,fcy将引起谐振振型的有效进动，等效于速率积分HRG定轴转动所产生真实哥氏力的影响。
带有自激励控制模块的速率积分HRG系统控制原理如附图5所示，图5为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中带有自激励控制模块的速率积分HRG系统控制原理图，全角模式下，信号解调模块生成各回路所需要的控制判断量；频相跟踪回路实时跟踪驱动模态振动信号的频率和相位，产生解调参考信号；幅度控制回路始终维持驱动模态振幅在给定参考振幅附近；拟正交控制回路抑制由频率裂解引起的检测模态振动幅值；利用自激励控制模块生成的虚拟哥氏力，与拟正交控制力一同作用于检测模态。
附图6和附图7分别为基于matlab中的simulink模块搭建的HRG动力学仿真模型和带有自激励控制模块的速率积分HRG控制系统仿真模型，即，图6为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中HRG动力学仿真模型图，图7为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中带有自激励控制模块的速率积分HRG控制系统仿真模型图，用于虚拟哥氏效应生成方法的仿真验证工作，并完成该方法在速率积分HRG自激励实现上的应用。
Simulink仿真模型中包含：HRG动力学仿真模型、信号解调模块、解调参考信号生成模块和频相跟踪、幅度控制、拟正交控制三大基本控制模块等速率积分HRG所需功能性模块。控制信号调制模块实现离散数字信号(低频)向连续电压信号(高频)的转换，驱动模块和检测模块模拟半球谐振陀螺0°和45°轴向驱动/检测电极，实现电压信号与控制力信号间、电压信号与振动位移信号间的转换。除此之外，本发明所设计的自激励控制模块也包含在上述仿真模型中，利用解调参考信号频率和幅度控制量，能够在该模块中产生虚拟哥氏电压信号，进而产生虚拟哥氏力作用于相应驱动电极，实时等效作用于检测模态，实现速率积分HRG高精度角速度自激励的功能。
基于虚拟哥氏效应生成方法的速率积分HRG自激励角速度施加如附图8所示，图8为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中速率积分HRG自激励实现图，图8中驱动模态虚拟哥氏力、检测模态拟正交控制力合力以及各力在x和y轴方向上分力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)、谐振位移信号的初始相位为余弦形式。
本申请实施例提供半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法实施过程如下：
1)驱动电极施力使得谐振子起振，无非等阻尼误差情况下，x轴振动幅值由0逐渐增大至参考幅值10μm附近，并利用幅度控制回路实现谐振子振动保持，整个过程需要约6s，如附图8(a)(c)(d)所示，起振后无角速度激励下，驻波波腹轴维持在x轴方向；
2)频相跟踪回路跟踪驱动模态振动信号的频率和相位，生成解调参考信号，该信号频率在驱动模态信号固有谐振频率4964.7Hz附近，跟踪过程十分迅速，在上电0.5s之内完成，驱动模态随驻波进动会发生位置上的改变，信号解调模块输出的频相控制量，保证对驱动模态振动信号频率和相位的实时跟踪，跟踪效果如附图8(b)所示；
3)在10s时，施加如附图8(e)所示的恒定自激励角速度300°/s(速率积分HRG敏感角速度能力范围内)，利用自激励控制模块实时提取驻波进动过程中的驱动模态振动速度信息，生成虚拟哥氏电压信号，具体见附图7仿真模型，进而生成驱动模态虚拟哥氏力，如附图8(f)所示。该过程所产生的虚拟哥氏力等效于外部角速度激励下真实哥氏力的影响，初始相位且驻波起振在0°电极轴方向时，谐振子状态如附图2(a)所示，该状态下施加正转角速度激励时，45°电极轴方向上产生沿谐振子赤道径向向外的哥氏力，引起谐振子上的驻波波腹轴向与激励角速度相反的方向运动，如附图3(a)所示；
4)利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，对驱动模态虚拟哥氏力信号进行分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，产生正交波，正交波与主波相互耦合，引起驻波波腹轴进动，其中，x轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向虚拟哥氏力与驻波方位角的二倍呈余弦关系，两方向的虚拟哥氏效应分力分别如附图8(g)和(h)所示；
5)激励角速度的存在会使得驱动模态和检测模态间产生频差，需要在检测模态上施加拟正交控制力，对频差进行抑制，利用信号解调模块实时输出的驻波方位角信息，可实现如附图8(i)所示的检测模态拟正交控制力信号分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态，其中，x轴方向拟正交控制力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向拟正交控制力与驻波方位角的二倍呈余弦关系，两方向的拟正交控制力分力分别如附图8(j)和(k)所示；
6)虚拟哥氏力的作用将引起驻波有效进动，完成速率积分HRG自激励角速度的施加，通过对驻波方位角变化量的检测，可实现对陀螺输入角速度的检测和输出，如附图8(l)所示。
根据图9的陀螺敏感角增量输出结果可得，图9为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法中自激励角速度输入+300°/s时，陀螺敏感角速度输出精度及稳定情况图，当使用不带有非等阻尼和非等弹性误差的半球谐振陀螺动力学仿真模型，进行速率积分HRG自激励角速度施加效果的测试验证时，在自激励角速度输入为正转300°/s的情况下，输出相对稳定时间极短，输出角速度误差绝对值小于0.1°/s，证明了本发明所提出虚拟哥氏效应生成方法从原理到实现速率积分HRG自激励角速度施加和驻波虚拟进动的可行性。
本发明实施例中，提取谐振子的驱动模态振动速度信息；依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。也就是说，本发明实施例能够依赖虚拟哥氏效应，利用虚拟角速度激励完成陀螺跳出死区并抑制由非等阻尼引起的角度依赖性漂移，解决了相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题，从而达到了提升速率积分半球谐振陀螺单表及以其为角度敏感器的捷联惯导系统输出精度的技术效果。
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置，图10为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置的示意图。如图10所示，本申请实施例提供的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置包括：提取模块1002，用于提取谐振子的驱动模态振动速度信息；生成模块1004，用于依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；切换模块1006，用于将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
本发明实施例中，提取谐振子的驱动模态振动速度信息；依据驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；将虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。也就是说，本发明实施例能够依赖虚拟哥氏效应，利用虚拟角速度激励完成陀螺跳出死区并抑制由非等阻尼引起的角度依赖性漂移，解决了相关技术中由于半球谐振陀螺的误差特性与传统陀螺仪差异较大，标定与补偿方法难以解决，导致速率积分半球谐振陀螺存在敏感角速度死区和输出角速度中存在角度依赖性漂移误差成分的问题，从而达到了提升速率积分半球谐振陀螺单表及以其为角度敏感器的捷联惯导系统输出精度的技术效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，包括：
提取谐振子的驱动模态振动速度信息；
依据所述驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；
将所述虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向所述检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述提取谐振子的驱动模态振动速度信息包括：
在所述谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取所述驱动模态振动速度信息。
3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述在所述谐振子完成起振并处于振动保持状态的情况下，提取所述驱动模态振动速度信息包括：
通过驱动电极对所述谐振子施力，控制所述谐振子起振；其中，驱动模态振动信号幅值由0增大至参考幅值的附近区间；
通过频相跟踪回路跟踪驱动模态振动信号的频率和相位，生成解调参考信号，其中，所述解调参考信号的频率在所述驱动模态谐振频率的附近区间；
依据所述谐振子起振时的驱动模态振动信号幅值和所述解调参考信号频率，得到所述驱动模态振动速度信息。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述依据所述驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力包括：
利用驻波方位角信息对所述驱动模态振动速度信息进行分解，获得x轴和y轴方向谐振子的实时振动速度信息。
5.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用自激励控制模块实时提取驻波进动过程中的所述驱动模态振动速度信息，并依据自激励角速度信息，生成虚拟哥氏电压信号。
6.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述将所述虚拟哥氏力作用于检测模态包括：
利用驻波方位角信息对所述虚拟哥氏力信号进行分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于检测模态。
7.根据权利要求6所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用信号解调模块实时输出的所述驻波方位角信息，对所述虚拟哥氏力进行分解，并将分解后的所述虚拟哥氏力分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于所述检测模态，产生正交波，正交波与主波相互耦合，引起驻波波腹轴进动，其中，x轴方向所述虚拟哥氏力与驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向所述虚拟哥氏力与所述驻波方位角的二倍呈余弦关系；
在检测模态上施加拟正交控制力，对频差进行抑制，利用信号解调模块实时输出的所述驻波方位角信息，检测模态拟正交控制力信号分解，并分别作用于x轴和y轴方向，等效作用于所述检测模态，其中，x轴方向所述拟正交控制力与所述驻波方位角的负二倍呈正弦关系，y轴方向所述拟正交控制力与所述驻波方位角的二倍呈余弦关系；
通过所述虚拟哥氏力引起驻波有效进动，完成速率积分HRG自激励角速度的施加，通过对所述驻波方位角变化量的检测，实现对陀螺敏感角速度的检测和输出。
8.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述谐振子起振和振动保持的情况下，半球谐振陀螺工作于无外界角速度输入的开环模式，其中，当无非等阻尼误差引起的驻波方位角漂移时，所述无外界角速度输入的开环模式包括：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率,ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，所述驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用。
9.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法，其特征在于，所述方法还包括：
当半球谐振陀螺工作在所述检测模态受所述虚拟哥氏力作用的全角模式时，所述半球谐振陀螺0°和45°电极轴方向振动位移的稳态响应为：
其中，x代表半球谐振陀螺0°方向检测到的振动位移信号，y代表半球谐振陀螺45°方向检测到的振动位移信号，Qx为x轴方向振动的品质因数，Qy为y轴方向振动的品质因数，ωx为x轴方向振动角频率，ωy为y轴方向振动角频率，ωd为频相跟踪回路跟踪到的驱动模态振动角频率，所述驱动模态振动角频率作为各交变驱动力的角频率使用，
所述虚拟哥氏力fcx,fcy将引起谐振振型的有效进动，等效于速率积分HRG定轴转动所产生真实哥氏力的影响。
10.一种半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成装置，其特征在于，包括：
提取模块，用于提取谐振子的驱动模态振动速度信息；
生成模块，用于依据所述驱动模态振动速度信息生成虚拟哥氏力；
切换模块，用于将所述虚拟哥氏力作用于检测模态，以使得陀螺完成由无外界角速度输入的开环模式向所述检测模态受虚拟哥氏力作用的全角模式的切换。
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| CN202211012028.8A CN115451999A (zh) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | 半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置 |
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| CN115451999A true CN115451999A (zh) | 2022-12-09 |
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| CN202211012028.8A Pending CN115451999A (zh) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | 半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116026298A (zh) * | 2023-03-27 | 2023-04-28 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于振型操纵的振动陀螺测控方法与装置 |
| 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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