CN115540903A - 一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法及系统 - Google Patents

一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法及系统，具体涉及一种基于检测回路并联电阻修调全角模式的半球谐振陀螺的半球谐振子阻尼和刚度不均匀的方法及系统，为解决全角模式的半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀引起驻波方位角在圆周方向呈周期性变化，导致所述陀螺测试精度低、性能急剧下降的问题，它包括对半球谐振陀螺金属化镀膜；设置半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°；将平板电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地；将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态；解调和辨识半球谐振子的振动信号，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差，再修调调节电阻的阻值，利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差。

Description

一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法及系统
技术领域
本发明涉及一种修调方法及系统，具体涉及一种基于检测回路并联电阻修调全角模式的半球谐振陀螺的半球谐振子阻尼和刚度不均匀的方法及系统，属于半球谐振陀螺控制领域。
背景技术
全角模式的半球谐振陀螺的半球谐振子始终处于自由进动状态，通过利用哥氏力引起的谐振子振型进动角度与载体实际转动角度成比例和解算陀螺振型角度信息可以直接得到载体转动角度。因此，全角模式可使半球谐振陀螺具有高动态范围和稳定的标度因数，半球谐振子的完美对称性是全角模式半球谐振陀螺实现高精度性能的基础，而半球谐振子阻尼不均匀及刚度耦合是影响全角模式陀螺高精度检测性能的重要因素。另一方面，全角模式的半球谐振陀螺仪驻波在圆周方向自由进动，阻尼不均匀会导致驻波方位角在圆周方向呈周期性变化，具有较强的位置角度依赖性，严重制约了半球谐振陀螺工作性能的提升。
影响半球谐振子刚度和阻尼不均匀分布的因素众多，其中一个主要因素是由于加工半球谐振子工艺繁琐而且工序较多，所以保证每一道工艺的极高精度是困难的，而且成本较高，这为加工高精度半球谐振子每一个工艺都提出了极高的要求，导致在加工过程中会引入加工误差导致刚度和阻尼的误差；另外，半球谐振子的阻尼及阻尼分布对温度等环境因素的变化较为敏感。因此，在半球谐振陀螺仪使用过程中对阻尼和刚度误差进行校准和补偿显得尤为重要。
发明内容
本发明为了解决全角模式的半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀引起驻波方位角在圆周方向呈周期性变化，导致所述陀螺测试精度低、性能急剧下降的问题，进而提出了一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法及系统。
本发明采取的技术方案是：
它包括以下步骤：
S1、分别对半球谐振子的内表面、支撑杆、唇沿端面进行金属化镀膜处理；
S2、设置金属化镀膜处理后半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°；
S3、将平板电极上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地；
S4、将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态；
S5、当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差；
S6、根据阻尼不均匀误差修调调节电阻的阻值，利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差。
进一步地，所述S2中设置金属化镀膜处理后半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°，具体过程为：
通过机械修调方法对金属化镀膜处理后的半球谐振子进行修调，修调后的半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°。
进一步地，所述机械修调方法为离子束方法。
进一步地，所述S3中检测电极与调节电阻为并联连接。
进一步地，所述S3中将平板电极上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地，具体过程为：
对于采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，将检测电极通过多路复用开关与调节电阻连接；对于未采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，检测电极直接与调节电阻连接。
进一步地，所述S4中将半球谐振陀螺进行安装，并将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态，具体过程为：
对安装后的半球谐振子表面施加高压，并在驱动电极上施加激励电压信号，驱动半球谐振子为二阶四波腹振型谐振状态。
进一步地，所述S5中当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差，具体过程为：
当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统，控制系统根据半球谐振陀螺二阶振动力学模型利用平均法对振动信号进行解调，再采用最小二乘法或扩展卡尔曼滤波辨识X轴的阻尼、Y轴的阻尼、阻尼不均匀误差、刚度偏差、频率裂解。
进一步地，所述半球谐振陀螺二阶振动力学模型为：
Figure BDA0003845190550000021
其中，M表示模型的等效质量；
Figure BDA0003845190550000031
表示振动加速度；
Figure BDA0003845190550000032
表示振动速率；C表示等效阻尼；系数
Figure BDA0003845190550000033
ε和ε0是介电常数；d0表示静止时唇沿与极板之间的间距；A表示有效面积；Rxi表示X检测回路调节电阻的阻值；Ryi表示Y检测回路调节电阻的阻值；uE表示施加在金属化镀膜处理后的半球谐振子表面的直流高压；x,y表示振动位移。
进一步地，所述S6中根据阻尼不均匀误差修调调节电阻的阻值，再利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差，具体过程为：
所述X轴的阻尼为C(x)，Y轴的阻尼为C(y)，阻尼不均匀误差为ΔC，刚度偏差为ΔK；
根据阻尼不均匀误差ΔC修调X检测回路的调节电阻Rxi和Y检测回路的调节电阻Ryi的阻值：
若满足C(x)-C(y)＞0，则ΔR＝Rxi-Ryi；
若满足C(x)-C(y)＜0，则ΔR＝Ryi-Rxi；
修调后调节电阻Rxi,Ryi的阻值满足：
Figure BDA0003845190550000034
则刚度偏差的调节量为：
Figure BDA0003845190550000035
其中，ΔK≥ΔK′。
一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法的任一步骤。
有益效果：
本发明先设置半球谐振陀螺的状态，即在半球谐振子的内表面、支撑杆、唇沿端面进行金属化镀膜处理，并设置半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°，再将平板电极上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极通过多路复用开关与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地，调节电阻并联接入检测回路；将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态，当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将采集的振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和频率裂解，根据阻尼不均匀误差和频率裂解修调调节电阻的阻值，再利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差。
本发明通过采集半球谐振子振动信号并进行解调和辨识，得到半球谐振子的阻尼偏差和刚度偏差，根据阻尼偏差和刚度偏差调节并联接入检测回路的调节电阻阻值，实现同时对半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差进行调节，不仅提高了测试精度、还提升了性能。本发明不需要增加额外的修调电极，也不需要控制额外修调电压，只需要调节电阻即可实现阻尼和刚度修调。同时，在半球谐振陀螺全角模式的分时复用控制方案中，只需要串联多路复用开关即可，本发明方法控制简单，更加易于工程应用。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是半球谐振陀螺的结构示意图及半球谐振子1驱动和检测的原理示意图；
图3是检测电极、调节电阻、多路复用开关的连接示意图；
图4是调节电阻改变半球谐振陀螺阻尼分布及刚度分布的原理示意图；
图5是半球谐振子1的大刚度轴和小阻尼轴的示意图；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，它包括以下步骤：
S1、分别对半球谐振子1的内表面、支撑杆2、唇沿端面进行金属化镀膜处理。
半球谐振陀螺包括半球谐振子1、平板电极3、极板、支撑杆2、唇沿等，平板电极3上环形分布安装8个极板，半球谐振子1通过支撑杆2与平板电极3固定。
金属膜层主要是提高半球谐振子1对振动信息的灵敏度，更好的将振动信号输出。但是金属化镀膜会严重影响阻尼和阻尼轴的分布，因此，金属化镀膜需要满足膜层是连续的，膜层的厚度是均匀的，以及膜层的电阻应该尽可能的小，同时，金属化膜层应该尽可能的薄。
S2、设置金属化镀膜处理后半球谐振子1的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°，具体过程为：
通过机械修调方法对金属化镀膜处理后的半球谐振子1进行修调，修调后的半球谐振子1的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°，大刚度轴和小阻尼轴是沿半球谐振子1环向分布的两个轴线，半球谐振子有两个刚度轴，两个阻尼轴，频率小的叫大刚度轴，频率大的叫小刚度轴。阻尼轴由衰减时间常数定义，衰减时间常数大的叫小阻尼轴，反之，叫大阻尼轴，如图5所示，由于8个极板组成360°，则每相邻极板是45度，本发明将大刚度轴和小阻尼轴同时位于一个极板上，即两个轴的夹角为0-45°。将半球谐振子1通过支撑杆2与平板电极3固定，使唇沿与极板形成等效电容。所述机械修调方法为离子束方法。
S3、将平板电极3上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地。所述检测电极与调节电阻为并联连接。
对于采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，将检测电极通过多路复用开关与调节电阻连接，采用多路复用开关控制调节电阻是否接入电路，对于未采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，检测电极直接与调节电阻连接，不需要多路复用开关。如此使得本发明的适用范围广，易于工程实现。按照驱动和检测功能将8个极板分为驱动电极和检测电极。
S4、将半球谐振陀螺进行安装，并将半球谐振子1设置为二阶四波腹振型谐振状态，具体过程为：
对安装后的半球谐振子1表面施加高压，所述高压为100-300伏。并在驱动电极上施加激励电压信号，驱动半球谐振子1为二阶四波腹振型谐振状态。
二阶四波腹振型谐振状态下的谐振频率可以避开相邻模态的频率，避免产生耦合；该模态频率相对于高频可以尽可能降低能量损耗，提高品质因数；该状态较为稳定，四波幅振动状态对于检测方法易于实现。
S5、当检测电极检测到半球谐振子1的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差，具体过程为：
当检测电极检测到半球谐振子1的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统，控制系统根据半球谐振陀螺二阶振动力学模型利用平均法对振动信号进行解调，再采用最小二乘法或扩展卡尔曼滤波辨识X轴的阻尼、Y轴的阻尼、阻尼不均匀误差、刚度偏差、频率裂解。
简化后的半球谐振陀螺二阶振动力学模型：
Figure BDA0003845190550000051
其中，
Figure BDA0003845190550000052
表示半球谐振子1唇沿与平板电极3形成的等效平板电容，ε和ε0是介电常数；d0表示静止时唇沿与极板之间的间距；A表示有效面积；C表示等效阻尼；K表示模型的等效刚度；x,y表示振动位移；Vxi表示第i个极板在x方向施加的电压；Vyi表示第i个极板在y方向施加的电压。M表示模型的等效质量；
Figure BDA0003845190550000061
表示振动加速度；
Figure BDA0003845190550000062
表示振动速率；
Figure BDA0003845190550000063
表示等效平板电容两个极板之间的等效电压；Ri表示调节电阻的阻值，uE表示施加在金属化镀膜处理后的半球谐振子1表面的直流高压；
对公式(1)进一步化简后，得：
Figure BDA0003845190550000064
其中，系数
Figure BDA0003845190550000065
S6、根据阻尼不均匀误差修调调节电阻的阻值，利用调节电阻的阻值调节半球谐振子1的阻尼和刚度不均匀误差，具体过程为：
根据上述的公式(2)可知，调节电阻Ri或者直流高压uE可实现对阻尼和刚度的修调，一般情况下，uE整定后将不改变，因此在X检测回路或Y检测回路中并联调节电阻Rxi,Ryi,实现对半球谐振子1阻尼和刚度不均匀进行修调，从而实现对阻尼不均匀误差和频率裂解的静电修调。
所述X轴的阻尼为C(x)，Y轴的阻尼为C(y)，阻尼不均匀误差为ΔC，刚度偏差为ΔK。
比较X轴的阻尼C(x)和Y轴的阻尼C(y)的大小，即根据阻尼不均匀误差ΔC修调X检测回路的调节电阻Rxi和Y检测回路的调节电阻Ryi的阻值：
若满足：C(x)-C(y)＞0，则：ΔR＝Rxi-Ryi；
若满足：C(x)-C(y)＜0，则：ΔR＝Ryi-Rxi；
由于刚度偏差导致了频率裂解，所以在得到刚度偏差后即可得到频率裂解，但是调节电阻不能直接调节频率裂解，所以通过改变刚度实现调整频率裂解，即刚度的修调和频率裂解的修调是等价的。
修调后的调节电阻Rxi,Ryi两个电阻的阻值满足如下关系：
Figure BDA0003845190550000071
此时，刚度偏差的调节量为：
Figure BDA0003845190550000072
其中，ΔK≥ΔK′。
由上述的分析可以发现，半球谐振子1唇沿和平板电极3之间的电压会对半球谐振子1产生力的效果，从而影响刚度，且由于引入了调节电阻，导致X轴和Y轴的电阻不一致，会使电压不平衡，电压不平衡导致就对导致对刚度的影响不一致，所以本发明通过控制电阻阻值从而起到调价刚度的效果。
具体实施方式二：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法的任一步骤。

Claims (10)

1.一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、分别对半球谐振子的内表面、支撑杆、唇沿端面进行金属化镀膜处理；
S2、设置金属化镀膜处理后半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°；
S3、将平板电极上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地；
S4、将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态；
S5、当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差；
S6、根据阻尼不均匀误差修调调节电阻的阻值，利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差。
2.根据权利要求1中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S2中设置金属化镀膜处理后半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°，具体过程为：
通过机械修调方法对金属化镀膜处理后的半球谐振子进行修调，修调后的半球谐振子的大刚度轴和小阻尼轴的夹角小于45°。
3.根据权利要求2中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述机械修调方法为离子束方法。
4.根据权利要求3中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S3中检测电极与调节电阻为并联连接。
5.根据权利要求4中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S3中将平板电极上的极板分为检测电极和驱动电极，将检测电极与调节电阻连接，调节电阻的另一端接地，具体过程为：
对于采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，将检测电极通过多路复用开关与调节电阻连接；对于未采用分时复用控制方案的半球谐振陀螺，检测电极直接与调节电阻连接。
6.根据权利要求5中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S4中将半球谐振陀螺进行安装，并将半球谐振子设置为二阶四波腹振型谐振状态，具体过程为：
对安装后的半球谐振子表面施加高压，并在驱动电极上施加激励电压信号，驱动半球谐振子为二阶四波腹振型谐振状态。
7.根据权利要求6中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S5中当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统进行解调和辨识，得到阻尼不均匀误差和刚度偏差，具体过程为：
当检测电极检测到半球谐振子的振动信号时，半球谐振陀螺的检测系统将振动信号输入控制系统，控制系统根据半球谐振陀螺二阶振动力学模型利用平均法对振动信号进行解调，再采用最小二乘法或扩展卡尔曼滤波辨识X轴的阻尼、Y轴的阻尼、阻尼不均匀误差、刚度偏差、频率裂解。
8.根据权利要求7中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述半球谐振陀螺二阶振动力学模型为：
Figure FDA0003845190540000021
其中，M表示模型的等效质量；
Figure FDA0003845190540000022
表示振动加速度；
Figure FDA0003845190540000023
表示振动速率；C表示等效阻尼；系数
Figure FDA0003845190540000024
ε和ε0是介电常数；d0表示静止时唇沿与极板之间的间距；A表示有效面积；Rxi表示X检测回路调节电阻的阻值；Ryi表示Y检测回路调节电阻的阻值；uE表示施加在金属化镀膜处理后的半球谐振子表面的直流高压；x,y表示振动位移。
9.根据权利要求8中所述的一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调方法，其特征在于：所述S6中根据阻尼不均匀误差修调调节电阻的阻值，再利用调节电阻的阻值调节半球谐振子的阻尼和刚度不均匀误差，具体过程为：
所述X轴的阻尼为C(x)，Y轴的阻尼为C(y)，阻尼不均匀误差为ΔC，刚度偏差为ΔK；
根据阻尼不均匀误差ΔC修调X检测回路的调节电阻Rxi和Y检测回路的调节电阻Ryi的阻值：
若满足C(x)-C(y)＞0，则ΔR＝Rxi-Ryi；
若满足C(x)-C(y)＜0，则ΔR＝Ryi-Rxi；
修调后调节电阻Rxi,Ryi的阻值满足：
Figure FDA0003845190540000025
则刚度偏差的调节量为：
Figure FDA0003845190540000031
其中，ΔK≥ΔK′。
10.一种半球谐振陀螺阻尼和刚度不均匀的修调系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任一所述方法的步骤。
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