CN115574798A - 一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法。本发明的目的在于克服现有半球谐振陀螺的两种工作模式即力平衡模式和全角模式都有其各自的缺陷，从而使得半球谐振陀螺的应用受限的问题。本发明提供了一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性，同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在力平衡状态，具有高精度。即，使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的优点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求，从而解决上述问题。

Description

一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope，简称HRG)是一种新型惯导级固体陀螺，起源于G.H.Byran驻波进动效应，它利用振动驻波进动效应来敏感测量载体的运动，即相对驻波转动角与环转动的角成正比。

半球谐振陀螺由三部分组成：激励罩、谐振子和读出基座，如图1所示。

谐振子上下均有芯轴，且内外分别镀有金属导电层，激励罩和读出基座也进行了表面金属化处理，并采用激光分割工艺形成特定的电极图形。上下芯轴分别与激励罩和读出基座焊接在一起，同时，读出基座和激励罩扣合后也焊在一起，三个石英部件形成一个全固态的整体结构，并装入金属密封的壳体中，读出电极和激励电极通过引线引出，最后抽真空密封。

半球谐振子在静电力的作用下受激产生驻波振动，其振动是一个四波幅振动，驻波由四个波腹和四个波节点组成。当基座不旋转的时候，波腹和波节的位置保持不变，当基座旋转时，驻波就要发生进动，进动角为旋转角的30％。检测出驻波的进动角，就可计算出基座的实际旋转角度和角速度(图2)。

半球谐振陀螺仪由表头和控制电路组成。表头结构简单，由半球谐振子、激励罩和读出基座等组成，可靠性高、体积小、重量轻、功耗小。控制电路主要有正交控制、幅度控住和速率控制，控制陀螺的起振、工作、稳定和输出，其原理如图3。

半球谐振陀螺仪主要特点是“二高二长”：高可靠性、高精度、长寿命、长稳定期。

半球谐振陀螺仪没有高速旋转的转子及相应的支承系统，寿命长。

半球谐振陀螺仪三部分均采用熔融石英材料整体加工而成，稳定性好、稳定期长。

半球谐振陀螺仪采取波峰波腹高量信号检测，测量精度高。

半球谐振陀螺仪能较好克服目前惯性仪表存在寿命短、稳定期短、可靠性低技术难题，为研制新型惯导系统提供了新的技术途径。

半球谐振陀螺有两种工作模式，即力平衡模式(Force To Rebalance Mode，简称FTR)和全角模式(Whole Angle Mode，简称WA)，其特点如图4所示。

在无角速度输入时，陀螺谐振子驻波进动角相对于谐振子位置保持不变。当外界(载体)有角速率输入时，陀螺谐振子的驻波进动角相对于壳体会产生进动。在力平衡模式下，控制电极会施加反馈力，抑制谐振子驻波进动，根据所施加反馈力的大小，来解算出输入角速率的大小。力平衡模式半球谐振陀螺精度高，目前优于0.005°/h。但受控制力限制的影响，测量范围和带宽等动态指标很小，通常测量范围≤20°/s，带宽≤10Hz，无法满足载体弹载大动态的需求。

全角模式下，陀螺无控制电极施加反馈力，谐振子驻波进动角将随载体运转并按固定比例系数发生进动。该工作模式下驻波进动角随外界发生自由进动，测量动态不受平衡力和控制电路特性限制，理论上测量范围和带宽等动态指标无限制；开环测量直接获取转动角度，比例系数不受电路、控制和施力器精度和非线性的影响。但是，由于加工制造精度的限制，半球陀螺谐振子的半径、密度、阻尼等参数存在周向不均匀性，各参数的四次谐波将导致半球陀螺存在周向漂移，且漂移沿周向呈正弦分布，因此其精度较差，目前约为0.01°/h，离实际应用指标相差甚远，精度不能满足载体弹载高机动的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有半球谐振陀螺的两种工作模式即力平衡模式和全角模式都有其各自的缺陷，从而使得半球谐振陀螺的应用受限的问题。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

提供一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性，同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在力平衡状态，具有高精度。即，使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的优点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求，从而解决上述问题。具体步骤如下：

一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过全角工作模式，使谐振子驻波进动角工作在周向最佳工作点θ₀；

S2.将工作模式切换为改进型力平衡模式，将半球谐振陀螺内部力反馈回路断开，将原本用于陀螺力平衡控制的反馈信号输出给惯性平台系统，利用惯性平台的伺服控制稳定回路，使电机带动框架进动，最终使惯性平台台体及安装在台体上半球谐振陀螺基座产生反向运动，使谐振子驻波进动角始终工作在最佳工作点θ₀；

S3.通过半球谐振陀螺动力学方程解析平台框架角速率Ω_p，计算得到载体输入角速率Ω。

进一步的，步骤S1中，所述周向最佳工作点θ₀的选取方法为：

1)程序控制使驻波工作在不同位置；

3)测量每个工作点半球谐振陀螺零偏，选出零偏较小的点；

3)进一步测量这些零偏较小点的零偏稳定性，零偏稳定性最小的点即为最佳工作点θ₀。

进一步的，步骤S2中，所述惯性平台系统稳定回路的具体步骤包括：当有载体输入角速率时，半球谐振陀螺进动，驻波进动角为θ，角度差Δθ＝θ-θ₀输入惯性平台系统，经惯性平台伺服回路工作，平台框架发生转动，使Δθ＝θ-θ₀＝0，其中平台框架角速率为Ω_p。

进一步的，步骤S3中所述半球谐振陀螺动力学方程为：

其中：

为陀螺驻波进动角速率；阻尼不均匀常数ΔΩ_Q、阻尼轴位置角度θ_Q、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构决定并给出。

进一步的，步骤S3具体包括：

由步骤S2得：θ＝θ₀，

代入：

得：Ω＝Ω_p+1/α{ΔΩ_Qsin[2(θ₀-θ_Q)]}

则：通过解析平台框架角速率Ω_p，即可计算得载体输入角速率Ω。

本发明的有益效果是：

本发明一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性；同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在固定位置(即力平衡状态)，具有高精度。从而，半使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的特点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求。

本发明一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法中驻波进动角可择优选择工作在整个谐振子360°周向上的最佳工作点(最稳定、最小噪声)，因而进一步提高了精度零，即进一步提高了半球谐振陀螺的精度。

本发明一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法中通过惯性平台的框架伺服保证半球陀螺驻波工作在选定点，因此半球陀螺测量范围、带宽等指标由平台框架动态指标决定，带宽可大幅提高到180Hz以上。平台可隔离外界大的角运动，因此陀螺只需敏感小量级扰动，测量范围基本不受限。

本发明一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法中半球谐振陀螺具有全角工作模式大动态的特点，但由于驻波进动角只工作在固定点，因此相对于传统全角工作模式，要求360°周向同等超精密精度加工，降低了谐振子加工制造极限精度要求，因而也提高了产品合格率、降低了成本。

附图说明

图1是半球谐振陀螺组成图；

图2是半球谐振陀螺原理示意图；

图3是半球谐振陀螺控制电路示意图；

图4是半球谐振陀螺工作模式示意图；

图5是本发明方法中惯性平台稳定新工作模式下半球谐振陀螺工作原理框图；

图中：1.激励罩；

2.激励电极；

3.谐振子；

4.读出电极；

5.敏感基座。

具体实施方式

下面将参照附图1-5更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例：

1.半球谐振陀螺动力学方程推导：

半球陀螺振动可以等效为二维弹簧质量系统，基于二维质点运动模型，当谐振子存在非等弹性和非等阻尼误差时，依据弹簧质量阻尼系统的运动方程，带误差项谐振子动力学方程可表述为：

式中，η(t)＝[η₁ η₂]^T＝[x y]^T，m为等效质量的平均值，c为阻尼的平均值，k为刚度的平均值，带有Δ的变量分别为质量、阻尼以及刚度的各向异性造成的缺陷。

振动位移可以表示为式(2)的形式：

定义平均频率ω₀和平均阻尼c可定义为：

则将式(3)带入(1)式：

由于

b/a和

与

可以忽略，所以有:

将式(5)带入式(4)中，谐振子的振动方程可以表示为：

式(6)中，等式左边为理想二维弹簧振动模型，等式右边第一项为控制力对振动的影响，等式右边第二项为哥式力对振动的影响，等式右边第三项为阻尼及阻尼各向异性对振动的影响，等式右边第4项为频率及频率各向异性对振动的影响，而且可以看出，质量和刚度的缺陷共同决定了谐振子的频差。

陀螺实际工作过程中，由于正交振动得到了有效的抑制，q＝0，陀螺的振动位移η可以表示为：

η＝av(t)cosφ(t) (7)

根据各控制力的施力位置和控制相位，控制力f可以表示为式(8)的形式，其中C_r为改变谐振频率的控制力，C_q为正交控制力，C_a为幅度控制力，C_p为驻波方位角的控制力。

f＝-2maω₀[(C_rI+C_qJ)cosφ+(C_aI+C_pJ)sinφ]v (8)

将式(7)和式(8)带入(6)，可以求解得到：

其中

因此，半球谐振陀螺驻波进动角速率为：

2.实现方法

基于二维质点振动模型，半球谐振陀螺驻波进动角速率为：

其中，

为陀螺驻波进动角速率，ΔΩ_Q为阻尼不均匀常数，θ_Q为阻尼轴位置角度，α为布莱恩系数，Ω为载体输入角速率，C_p为施加的控制力。

1)力平衡模式

在力平衡模式下，通过施加控制力C_p以平衡抵消外界转速及零位漂移，使驻波进动角稳定在0°电极角处，即：

θ＝0

而：

得到：

Ω＝1/α[ΔΩ_Qsin(-2θ_Q)+C_p]

其中：

阻尼不均匀常数ΔΩ_Q、阻尼轴位置角度θ_Q、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构确定并给出。

通过解析反馈控制力C_p，就可以计算求得载体输入角速率Ω。

2)全角模式

在全角模式下，无控制力C_p，驻波进动角θ将随载体输入角速率Ω成比例反向转动，通过解析驻波进动角度输出θ，可实现对输入角速率Ω的测量，即：

C_p＝0

而：

得到：

Ω＝1/α[ΔΩ_Qsin(θ-θ_Q)]

其中：

阻尼不均匀常数ΔΩ_Q、阻尼轴位置角度θ_Q、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构确定并给出。

通过解析驻波角θ，就可以计算求得载体输入角速率Ω。

3)惯性平台稳定新模式

在惯性平台稳定新模式下，工作原理下如图5所示。半球谐振陀螺工作在全角模式，同时驻波进动角稳定在选定工作点θ₀处。

首先通过全角工作模式，使谐振子驻波进动角工作在周向最佳工作点θ₀；再将工作模式切换为改进型力平衡模式，改进型力平衡模式与传统的陀螺力平衡模式不同，需要将半球谐振陀螺内部力反馈回路断开，将原本用于陀螺力平衡控制的反馈信号输出给惯性平台系统，利用惯性平台的伺服控制稳定回路，使电机带动框架进动，最终使惯性平台台体及安装在台体上半球谐振陀螺基座产生反向运动，达到谐振子与陀螺基座保持相对静止的目的，使谐振子驻波进动角始终工作在最佳工作点θ₀。其中，周向最佳工作点θ₀的选取方法为：

1)程序控制使驻波工作在不同位置。

2)测量每个工作点半球谐振陀螺零偏(即没有输入时的输出)，选出零偏较小的点。

3)进一步测量这些零偏较小点的零偏稳定性(即零偏的变化率)。零偏稳定性最小的点即为最佳工作点θ₀。

由于惯性平台的稳定作用，半球谐振陀螺的驻波进动角稳定在θ₀处。当有载体输入角速率时，半球谐振陀螺进动，驻波进动角为θ。角度差Δθ＝θ-θ₀输入惯性平台系统，经惯性平台伺服回路工作，平台框架发生转动(框架转动角速度为Ω_p)，使Δθ＝θ-θ₀。即：

θ＝0

而：

得到：

Ω＝Ω_p+1/α{ΔΩ_Qsin[2(θ₀-θ_Q)]}

其中：

阻尼不均匀常数ΔΩ_Q、阻尼轴位置角度θ_Q、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构确定并给出。

通过解析平台框架角速率Ω_p，就可以计算求得载体输入角速率Ω。

3.特点分析

1)进一步提高半球谐振陀螺精度

力平衡工作模式，陀螺驻波进动角只能工作在0°电极角处，而新方法驻波进动角则可择优选择工作在整个谐振子360°周向上的最佳工作点(最稳定、最小噪声)，因而进一步提高了精度零。

半球谐振陀螺的石英谐振子因为加工工艺的限制，导致其密度、阻尼、曲率等参数均存在周向不均匀现象，使其无法成为一个理想球面，这就使得谐振子在周向任意工作点出现了精度不一致的问题。通过进一步研究分析，谐振子在周向范围内工作，存在至少一个最佳工作点。

对于力反馈工作模式半球谐振陀螺，其谐振子的工作点是由装配过程确定的，随着装配工作的完成，谐振子的工作点将被固定在周向范围内的某一随机工作点，该工作点无法改变，因此无法保证其就是最佳工作点。全角工作模式半球谐振陀螺则是因为谐振子能够在周向任意位置工作，会出现输出精度发生变化的现象。这两种工作模式各自存在的缺陷给半球谐振陀螺在系统上的高精度应用带来了限制。

2)适应于大动态环境

新方法中通过惯性平台的框架伺服保证半球陀螺驻波工作在选定点，因此半球陀螺测量范围、带宽等指标由平台框架动态指标决定，带宽可大幅提高到180Hz以上。平台可隔离外界大的角运动，因此陀螺只需敏感小量级扰动，测量范围基本不受限。

3)降低谐振子加工制造极限精度要求

新方法中半球谐振陀螺具有全角工作模式大动态的特点，但由于驻波进动角只工作在固定点，因此相对于全角模式，要求360°周向同等超精密精度加工，降低了谐振子加工制造极限精度要求，因而也提高了产品合格率、降低了成本。

半球谐振陀螺不同工作模式性能测试实验(性能测试只是对半球谐振陀螺零偏稳定性进行测试)，如下表1。

可以看出：采用这种新方法，利用惯性平台稳定，半球谐振陀螺能够达到高精度和大动态，显著提升了其综合性能。

表1半球谐振陀螺不同工作模式下性能测试实验表

	力平衡	全角	新方法
				精度(°/h)	0.005	0.02	0.006
测量范围(°/s)	±7.5	750	750
				带宽(Hz)	13	180	180

Claims (5)

1.一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过全角工作模式，使谐振子驻波进动角工作在周向最佳工作点θ₀；

S2.将工作模式切换为改进型力平衡模式，将半球谐振陀螺内部力反馈回路断开，将原本用于陀螺力平衡控制的反馈信号输出给惯性平台系统，利用惯性平台系统的伺服控制稳定回路，使电机带动框架进动，最终使惯性平台台体及安装在台体上半球谐振陀螺基座产生反向运动，使谐振子驻波进动角始终工作在最佳工作点θ₀；

S3.通过半球谐振陀螺动力学方程解析平台框架角速率Ω_p，计算得到载体输入角速率Ω。

2.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S1中，所述周向最佳工作点θ₀的选取方法为：

1)程序控制使驻波工作在不同位置；

2)测量每个工作点半球谐振陀螺零偏，选出零偏较小的点；

3)进一步测量这些零偏较小点的零偏稳定性，零偏稳定性最小的点即为最佳工作点θ₀。

3.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S2中，所述惯性平台系统稳定回路的具体步骤包括：当有载体输入角速率时，半球谐振陀螺进动，驻波进动角为θ，角度差Δθ＝θ-θ₀输入惯性平台系统，经惯性平台伺服回路工作，平台框架发生转动，使Δθ＝θ-θ₀＝0，其中平台框架角速率为Ω_p。

4.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S3中所述半球谐振陀螺动力学方程为：

其中：

为陀螺驻波进动角速率；阻尼不均匀常数ΔΩ_Q、阻尼轴位置角度θ_Q、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构决定并给出。

5.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

由步骤S2得：θ＝θ₀，

代入：

得：Ω＝Ω_p+1/α{ΔΩ_Qsin[2(θ₀-θ_Q)]}

则：通过解析平台框架角速率Ω_p，即可计算得载体输入角速率Ω。

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