CN115855121A - 一种半球谐振陀螺的误差自校准方法 - Google Patents

一种半球谐振陀螺的误差自校准方法 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的误差自校准方法，包括如下流程：S1:实时监测陀螺输出的稳幅回路信号
Figure ZY_2
及频率回路信号
Figure ZY_8
，并将监测值传输给上位机，上位机将收到的信号传输给计算模块；S2:计算模块计算出
Figure ZY_10
时刻的
Figure ZY_5
、
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；S3:重复S2，迭代计算
Figure ZY_9
、
Figure ZY_1
、
Figure ZY_3
，观察
Figure ZY_4
（k=0，1，2，..）序列直至收敛；S4:计算模块将收敛的误差值发送给激励模块，激励模块将误差值补偿到陀螺电极中，完成自校准。本发明提供的方法针对回路耦合漂移，可以实时估计增益误差，并通过反馈补偿到检测信号中，完成陀螺漂移的自校准，从而减少陀螺漂移，提高陀螺的性能。

Description

一种半球谐振陀螺的误差自校准方法
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的误差自校准方法。
背景技术
半球谐振陀螺是哥式振动陀螺仪中的一种具有惯导级性能的高精度陀螺仪，它具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，还特别具有独特的关机抗辐射能力，其随机漂移可达到10º/hr量级，寿命高达15年。半球谐振陀螺由激励电极、检测电极和半球谐振子构成，半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件，其性能决定了半球谐振陀螺的性能。在半球谐振陀螺制作加工过程中，半球谐振子的工艺控制已经比较成熟，但是半球谐振陀螺的性能除了受到半球谐振子的加工工艺缺陷等的影响之外，半球谐振陀螺由于使用离散电极进行控制，会导致不同电极之间的增益不一致误差，也会造成半球谐振陀螺的输出存在误差，如果不及时对半球谐振陀螺的输出误差进行自校准，半球谐振陀螺将会产生漂移，从而影响半球谐振陀螺的稳定性。
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的误差自校准方法，通过各条回路之间控制信号的耦合关系规律，计算出半球谐振陀螺由于使用离散电极进行控制导致不同电极之间的增益不一致误差，并将误差补偿到电极中，以减小半球谐振陀螺的漂移，提高半球谐振陀螺的性能。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其包括如下步骤：
S1:半球谐振陀螺转入校准模式，实时监测半球谐振陀螺输出的稳幅回路信号
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补偿到半球谐振陀螺电极中，完成半球谐振陀螺的误差自校准。
优化的，步骤S3中收敛的电极线路增益误差预测值
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小于0.001时，迭代计算结束。
优化的，半球谐振陀螺工作时，每间隔两个小时重复一次步骤S1-S4进行误差自校准。
进一步，半球谐振陀螺进行误差自校准时，驻波振型位置为振型角
Figure SMS_46
，且在此位置工作时间为五分钟。
进一步，每次误差自校准完成后，半球谐振陀螺自动切换回工作模式，等待下次自校准指令。
发明的有益效果：
本发明针对回路耦合漂移，实时估计增益误差，并通过反馈补偿到检测信号中，完成半球谐振陀螺漂移的自标定与补偿，从而减少半球谐振陀螺漂移，提高半球谐振陀螺的性能。
附图说明
图1是电极线路增益误差估计曲线图。
具体实施方式
一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其包括如下步骤：
S1:半球谐振陀螺转入校准模式，实时监测半球谐振陀螺输出的稳幅回路信号
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半球谐振陀螺是哥氏振动陀螺的一种，基于哥氏效应敏感外部角速度。理想的半球谐振陀螺正常工作在二阶振动模态下的振动为四波腹运动振动。然而，谐振子生产制造过程受制于目前工艺的局限，造成谐振子周向的刚度、质量和阻尼不一致，导致半球谐振陀螺出现阻尼不均和频率裂解，造成半球谐振陀螺漂移，基于平均法推导出存在谐振子误差的半球谐振陀螺运动方程如式（2）：
Figure SMS_84
（2）
对式（2）求解可得非理想谐振子下半球谐振陀螺的控制闭环情况下固有频率以及控制信号随振型角的变化：即式（3）：
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（3）
其中
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为谐振子模态质量。
在实际半球谐振陀螺工作中，不仅存在谐振子非理想误差，在半球谐振陀螺通过电极进行信号的施力和检测以及相关线路设计上同样存在误差，这会导致半球谐振陀螺四条回路控制信号的互相耦合，造成半球谐振陀螺输出存在误差。
半球谐振陀螺电极和线路误差主要考虑半球谐振陀螺电极及线路增益不一致误差
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最终会导致实际的谐振子信号和检测信号之间出现电极误差矩阵A。
对于理想检测坐标系向非理想检测坐标系的电极误差矩阵A，有式（4）：
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（4）
将式（4）带入非理想谐振子的运动方程（2），得到半球谐振陀螺存在电极线路误差和谐振子误差的运动方程为式（5）：
Figure SMS_123
（5）
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表示刚度矩阵；
通过平均法带入分析后，忽略二阶小量，可以得到半球谐振陀螺频率回路最终输出表达式（6）：
Figure SMS_132
（6）
对比式（3）和式（6）可知，增益不一致误差可导致
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之间的耦合，因此可以使用/>
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是振型位置的函数，考虑半球谐振陀螺将振型角度控制在/>
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进行误差估计，此时增益误差达到最大值式（7）：
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（7）
由于电极及线路之间的增益误差并非定值，会随着时间温度等环境发生变化，为了能够实时的估计出误差并反馈补偿，进一步消除二阶小量的影响，建立最小二乘模型如式（8），
Figure SMS_141
（8）
其中
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且有式（9），
Figure SMS_145
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（9）
递归最小二乘模型就可以得到式（1）。
因此，只要实时监测半球谐振陀螺输出的稳幅回路信号
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，并将监测值传输给上位机，上位机将收到的信号传输给计算模块，计算模块根据式（1），进行迭代计算并收敛，得到收敛的电极线路增益误差预测值/>
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即为半球谐振陀螺电极及线路增益不一致误差/>
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，具体电极线路增益误差估计曲线图如附图1所示。
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，可以使半球谐振陀螺电极及线路增益不一致误差/>
Figure SMS_156
对应变化小于0.001，当收敛值达到0.001时系统通过上位机控制进入工作模式，重新计时，同时进行误差补偿，即进行S4的步骤。
S4:计算模块将收敛的误差值发送给激励模块，激励模块将误差值补偿到半球谐振陀螺电极中，完成误差自校准。
这样通过计算模块计算并收敛得到半球谐振陀螺电极及线路增益不一致误差
Figure SMS_157
，并将其补偿到半球谐振陀螺电极中，就可以减少半球谐振陀螺由于使用离散电极进行控制导致不同电极之间的增益不一致误差，达到半球谐振陀螺误差自校准的目的，从而减小半球谐振陀螺漂移，提高半球谐振陀螺性能。
优化的，半球谐振陀螺工作时，每间隔两个小时重复一次步骤S1-S4进行误差自校准。
可以通过上位机设定校准时间间隔，优选间隔时间为两小时，这样可以及时对半球谐振陀螺由于使用离散电极进行控制导致不同电极之间的增益不一致误差进行补偿，从而保证半球谐振陀螺的性能。
进一步，半球谐振陀螺进行误差自校准时，驻波振型位置为振型角
Figure SMS_158
，且在此位置工作时间为五分钟。
因为在
Figure SMS_159
时，两条回路之间的耦合量达到最大，因此选择在此位置进行自校准，可以更好地使半球谐振陀螺由于使用离散电极进行控制导致不同电极之间的增益不一致误差得到补偿，并且在此位置工作时间为五分钟，可以充分保证在此时间内完成自校准。
进一步，每次自校准完成后，半球谐振陀螺自动切换回工作模式，等待下次自校准指令。半球谐振陀螺通过上位机控制，可以在工作模式和自校准模式下自动切换，自校准更加方便快捷。
综上所述，本发明提出的一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，针对回路耦合漂移，实时估计增益误差，并通过反馈补偿到检测信号中，完成半球谐振陀螺漂移的自标定与补偿，从而减少半球谐振陀螺漂移，提高半球谐振陀螺的性能。
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的误差自校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:半球谐振陀螺转入校准模式，实时监测半球谐振陀螺输出的稳幅回路信号
Figure QLYQS_1
及频率回路信号/>
Figure QLYQS_2
，并将监测信号传输给上位机，上位机将收到的监测信号传输给计算模块；
S2:计算模块根据式（1）及
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=0，1，2，..）序列直至收敛；
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发送给激励模块，激励模块将收敛的电极线路增益误差预测值/>
Figure QLYQS_44
补偿到半球谐振陀螺电极中，完成半球谐振陀螺的误差自校准。
2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其特征在于，S3中收敛的电极线路增益误差预测值
Figure QLYQS_45
小于0.001时，迭代计算结束。
3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其特征在于，半球谐振陀螺工作时，每间隔两个小时重复一次步骤S1-步骤S4进行误差自校准。
4.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其特征在于，半球谐振陀螺进行误差自校准时，驻波振型位置为振型角
Figure QLYQS_46
，且在此驻波振型位置工作时间为五分钟。
5.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺的误差自校准方法，其特征在于，每次误差自校准完成后，半球谐振陀螺自动切换回工作模式，等待下次自校准指令。
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