CN115876178A - 平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法 - Google Patents

Abstract

平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，它属于惯性技术领域。本发明解决了平板电极式半球谐振陀螺检测信号与驱动信号存在串扰以及传统分时控制方法中检测信号不连续的问题。本发明对半球谐振陀螺缓冲电路上设置的多路开关进行高频切换，切换频率远高于谐振子振动频率，以切换频率对振动信号进行采样得到检测信号，在相邻两次采样之间施加驱动信号，使检测信号和驱动信号在时域上分离，消除检测信号中驱动信号的干扰。本发明方法采用与驱动检测切换频率相同的频率进行采样，检测信号为连续采样，只需采用常规数字滤波器即可完成解算。本发明方法可以应用于惯性技术领域。

Description

平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法

技术领域

本发明属于惯性技术领域，具体涉及一种用于平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法。

背景技术

半球谐振陀螺是在传统的机械转子式陀螺和光学陀螺的基础上发展起来的新一代高精度陀螺，是主流高精度惯性器件之一，已广泛应用在航空、航天、航海等领域。半球谐振陀螺工作原理是当存在外界角度输入时谐振子振动驻波由于科氏力的作用产生进动，并且进动角度与输入角度成正比。“两件套”的平板电极式半球谐振陀螺主要由半球谐振子以及平板电极构成，谐振子唇沿与石英基板周向刻蚀出的电极平面构成电容。由于周向电容共用谐振子唇沿作为一侧电容极板，当对谐振子振动状态检测时，如果同时施加驱动信号，就会存在检测信号与驱动信号之间的串扰，由于检测信号中混杂驱动信号，因此检测与驱动需要分时进行。但是传统分时控制方法中检测信号是不连续的，严重影响了半球谐振陀螺的性能。

发明内容

本发明的目的是为解决平板电极式半球谐振陀螺检测信号与驱动信号存在串扰以及传统分时控制方法中检测信号不连续的问题，而提出了一种用于平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1、在T_k时刻，给平板电极式半球谐振陀螺的多路开关发送控制信号使检测电极连接缓冲放大电路，并使驱动信号及驱动电路为切断状态，再使能AD芯片采样半球谐振陀螺X、Y两路振动信号；

步骤2、在平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动之间的隔离时间段P₁，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并使驱动信号及驱动电路保持切断状态；

步骤3、根据T_k时刻采样的X、Y两路振动信号更新谐振子振动状态，即得到平板电极式半球谐振陀螺T_k时刻的控制系统变量E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k；

步骤4、PI控制器利用E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k更新T_k时刻的幅值驱动力F_ak、正交驱动力F_qk、振动频率ω_k、解调信号相位ψ_k以及驻波方位角θ_k；

步骤5、根据步骤4更新的振动频率ω_k及解调信号相位ψ_k对驱动力进行调制，再根据驻波方位角θ_k、幅值驱动力F_ak和正交驱动力F_qk来更新X电极的控制力F_xk以及Y电极的控制力F_yk；

步骤6、在驱动信号持续作用的时间段D_k开始时，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，将驱动信号及驱动电路连接驱动电极，并持续作用直至D_k时间段结束；

步骤7、在驱动与检测之间的隔离时间段P₂，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并切断驱动信号及驱动电路与驱动电极的连接，当P₂时间段结束后，再开始T_k+1时刻采样。

本发明的有益效果是：

本发明对半球谐振陀螺缓冲电路上设置的多路开关进行高频切换，切换频率远高于谐振子振动频率，以切换频率对振动信号进行采样得到检测信号，在相邻两次采样之间施加驱动信号，使检测信号和驱动信号在时域上分离，消除检测信号中驱动信号的干扰。本发明方法采用与驱动检测切换频率相同的频率进行采样，检测信号为连续采样，只需采用常规数字滤波器即可完成解算。本发明实现了驱动和检测的分时控制，降低了串扰，且检测信号连续，提升了半球谐振陀螺的性能。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是检测与驱动高频切换的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1、在T_k时刻，给平板电极式半球谐振陀螺的多路开关发送控制信号使检测电极连接缓冲放大电路，并使驱动信号及驱动电路为切断状态，再使能AD芯片采样半球谐振陀螺X、Y两路振动信号；

步骤2、在平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动之间的隔离时间段P₁，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并使驱动信号及驱动电路保持切断状态；

步骤3、根据T_k时刻采样的X、Y两路振动信号更新谐振子振动状态，即得到平板电极式半球谐振陀螺T_k时刻的控制系统变量E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k；

步骤4、PI控制器利用E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k更新T_k时刻的幅值驱动力F_ak、正交驱动力F_qk、振动频率ω_k、解调信号相位ψ_k以及驻波方位角θ_k；

步骤5、根据步骤4更新的振动频率ω_k及解调信号相位ψ_k对驱动力进行调制，再根据驻波方位角θ_k、幅值驱动力F_ak和正交驱动力F_qk来更新X电极的控制力F_xk以及Y电极的控制力F_yk；

步骤6、在驱动信号持续作用的时间段D_k开始时，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，将驱动信号及驱动电路连接驱动电极，并持续作用直至D_k时间段结束；

步骤7、在驱动与检测之间的隔离时间段P₂，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并切断驱动信号及驱动电路与驱动电极的连接，当P₂时间段结束后，再开始T_k+1时刻采样。

本发明方法可以从根本上避免检测信号中的驱动信号的干扰，同时通过高频的切换检测与驱动，检测单次采样，驱动在相邻两次采样持续施加的控制方式，可以近似为连续不分时采样，消除控制算法中低通滤波的时域不连续性，实现驱动和检测的分时控制，降低串扰，提升半球谐振陀螺性能。

本实施方式的检测与驱动周期切换频率远高于半球谐振陀螺振动信号频率，通过添加两个空白阶段可以使干扰更小。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述半球谐振陀螺X、Y两路振动信号为：

其中，x_k为T_k时刻的X路振动信号，y_k为T_k时刻的Y路振动信号，a代表主波波腹，θ_k代表T_k时刻的驻波方位角，ω_k代表T_k时刻的振动频率，q代表正交波波腹，

为振动信号的初相位。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤3的具体过程为：

其中，ω_k-1代表T_k-1时刻的振动频率，t为时间，ψ_k-1代表T_k-1时刻解调信号的相位，V_rc(k-1)为T_k-1时刻正交解调信号中的余弦项，V_rs(k-1)为T_k-1时刻正交解调信号中的正弦项；

通过V_rc(k-1)、V_rs(k-1)、x_k和y_k，得到如下缓慢变化量C_xk、S_xk、C_yk和S_yk：

其中，LPF代表低通滤波；

在其他分时方法中，检测是分段连续采样，在检测周期内检测采样频率较高，但分段频率较低，需要针对检测周期内信号高频连续采样，检测周期之间无采样的情况特殊设计解算算法。而本发明方法采用与驱动检测切换频率相同的频率进行采样，检测信号为连续采样，只需采用常规数字滤波器即可完成解算。

对C_xk、S_xk、C_yk和S_yk进行组合，得到平板电极式半球谐振陀螺T_k时刻的控制系统变量E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k：

其中，E表征谐振子振动能量，用于稳定谐振子主波振动幅值。Q表征正交波振动幅值，用于抑制正交波振动幅值。S、R解算驻波方位角θ。L表征参考信号与谐振子主波振动信号相位差。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述驻波方位角θ_k的表达式为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述根据驻波方位角θ_k、幅值驱动力F_ak和正交驱动力F_qk来更新X电极的控制力F_xk以及Y电极的控制力F_yk，其具体过程为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1、在T_k时刻，给平板电极式半球谐振陀螺的多路开关发送控制信号使检测电极连接缓冲放大电路，并使驱动信号及驱动电路为切断状态，再使能AD芯片采样半球谐振陀螺X、Y两路振动信号；

步骤2、在平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动之间的隔离时间段P₁，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并使驱动信号及驱动电路保持切断状态；

步骤3、根据T_k时刻采样的X、Y两路振动信号更新谐振子振动状态，即得到平板电极式半球谐振陀螺T_k时刻的控制系统变量E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k；

步骤4、PI控制器利用E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k更新T_k时刻的幅值驱动力F_ak、正交驱动力F_qk、振动频率ω_k、解调信号相位ψ_k以及驻波方位角θ_k；

步骤5、根据步骤4更新的振动频率ω_k及解调信号相位ψ_k对驱动力进行调制，再根据驻波方位角θ_k、幅值驱动力F_ak和正交驱动力F_qk来更新X电极的控制力F_xk以及Y电极的控制力F_yk；

步骤6、在驱动信号持续作用的时间段D_k开始时，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，将驱动信号及驱动电路连接驱动电极，并持续作用直至D_k时间段结束；

步骤7、在驱动与检测之间的隔离时间段P₂，给多路开关发送控制信号使检测电极与缓冲放大电路断开，并切断驱动信号及驱动电路与驱动电极的连接，当P₂时间段结束后，再开始T_k+1时刻采样。

2.根据权利要求1所述的平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，其特征在于，所述半球谐振陀螺X、Y两路振动信号为：

其中，x_k为T_k时刻的X路振动信号，y_k为T_k时刻的Y路振动信号，a代表主波波腹，θ_k代表T_k时刻的驻波方位角，ω_k代表T_k时刻的振动频率，q代表正交波波腹，

为振动信号的初相位。

3.根据权利要求2所述的平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

其中，ω_k-1代表T_k-1时刻的振动频率，t为时间，ψ_k-1代表T_k-1时刻解调信号的相位，V_rc(k-1)为T_k-1时刻正交解调信号中的余弦项，V_rs(k-1)为T_k-1时刻正交解调信号中的正弦项；

通过V_rc(k-1)、V_rs(k-1)、x_k和y_k，得到如下缓慢变化量C_xk、S_xk、C_yk和S_yk：

其中，LPF代表低通滤波；

对C_xk、S_xk、C_yk和S_yk进行组合，得到平板电极式半球谐振陀螺T_k时刻的控制系统变量E_k、Q_k、S_k、R_k和L_k：

4.根据权利要求3所述的平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，其特征在于，所述驻波方位角θ_k的表达式为：

5.根据权利要求4所述的平板电极式半球谐振陀螺的检测与驱动切换的控制方法，其特征在于，所述根据驻波方位角θ_k、幅值驱动力F_ak和正交驱动力F_qk来更新X电极的控制力F_xk以及Y电极的控制力F_yk，其具体过程为：

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