CN116499444A - 一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，包括如下流程：陀螺设置四对电极且每对电极间隔45°；Ax轴及Ay轴检测信号分别经缓冲后传输至正交解调模块正交解调后，传输给信号解算模块；信号解算模块进行信号解算，提取被控信号及驻波方位角信号，并将被控信号及驻波方位角信号传输给PID控制模块；PID控制模块产生各控制回路的控制力信号，并将控制力信号分别传输给调制合成模块；调制合成模块将控制力信号转化成稳幅的驱动力信号，分别同时施加给驱动电极。本发明提供的方法能够保证模态切换过程中陀螺输出的连续性，从而保证模态切换过程中陀螺的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法。
背景技术
谐振陀螺是利用谐振子振动驻波在哥氏力作用下沿环向进动来敏感外界角速度的一种振动陀螺，具有测量精度高，稳定性和可靠性高，工作寿命长，体积小，噪声低，加速度不敏感，抗冲击、过载、辐射能力强等优点，同时具有独特的瞬间断电工作保持能力，在空间领域受到越来越多的关注和应用。
但是由于陀螺的加工工艺误差就会产生常值漂移，由于工作环境及温度变化的影响，就会产生常值漂移由于时间温度变化引起的误差。为了消除常值漂移及常值漂移由于时间、温度变化引起的误差，可以采用模态切换的方式进行消除。但是在模态切换的过程中，切换瞬间会造成原有振动模态（0°模态）的消振和新振动模态（45°模态）的建立，造成陀螺输出长时间震荡，而影响陀螺的输出的连续性，从而影响模态切换过程中陀螺的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，通过将检测电极的检测信号导出进行一系列处理后，形成稳幅的驱动力信号及/>，施加给Ax驱动电极与Ay轴驱动电极，能够控制振型匀速稳定进动，以减小模态切换过程中的动态响应，保证陀螺输出的连续性，确保模态切换过程中陀螺的稳定性。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，其包括如下步骤：
S1:陀螺设置四对电极分别为Ax轴检测电极、Ay轴驱动电极、Ax轴驱动电极及Ay轴检测电极，每对电极的两个电极之间分别通过线缆连接且多对电极之间依次间隔45°；
S2: Ax轴检测电极输出的Ax轴检测位移信号x及Ay轴检测电极输出的Ay轴检测位移信号y分别通过相应的缓冲器缓冲后传输至相应的正交解调模块；
S3:正交解调模块将x及y信号进行正交解调后，获得相应的正弦分量信号Sx、Sy以及余弦分量信号Cy、Cx，并将Cx、Sx、Cy、Sy信号传输给信号解算模块；
S4: 信号解算模块根据式（1）、（2）（3）（4）对Cx、Sx、Cy、Sy进行信号解算，提取幅度控制回路被控信号a（振动波腹点的振幅）、正交控制回路被控信号q（振动波节点的振幅）、频率控制回路被控信号（振动信号与参考信号的相位差）及当前驻波方位角信号/>（振型角），并将被控信号及当前驻波方位角信号传输给PID控制模块；
（1）
（2）
（3）
（4）；
S5: PID控制模块根据S4中的被控信号作为控制输入，通过PID控制产生陀螺各条控制回路的控制力信号作为控制输出，传递给调制合成模块，调制合成模块根据当前驻波方位角信号将控制力信号按照式（5）进行失量合成，产生稳幅的Ax轴驱动力信号/>及Ay轴驱动力信号/>，分别同时施加给相应的Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极，
（5）
其中表示作用到Ax驱动电极与Ay轴驱动电极上的驱动力。
进一步，S5中当振型位置进动到Ax驱动电极与Ay轴驱动电极的角分线时，调制合成模块将相应的驱动力信号及/>分别同时施加给Ax驱动电极与Ay轴驱动电极进行模态切换。
进一步，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的一端分别通过交流电源模块施加正弦交流电压，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的另一端分别通过直流电源模块施加直流偏置电压/>，通过直流电源模块对/>的修改来改变振型进动速率。
进一步，直流电源模块根据式（6）及式（7）对进行修改来改变振型进动速率：
（6）
（7）；
其中：其中：为振型进动速率；/>为谐振子固有频率；/>为力到角速度的标度；/>为施加的激励力；/>表示谐振子周向阻尼不均，/>表示最大阻尼轴时间常数，/>表示最小阻尼轴时间常数；/>表示阻尼轴与电极轴的夹角；/>为布莱恩系数；/>为外部输入角速度；/>，为真空介电常数；/>为激励电压中施加交流电压/>的幅值；/>为电极极板之间的静态距离；t为时间，S为电极的表面积大小。
发明的有益效果:
本发明提供的一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，具有如下优点：
1.通过将检测电极的检测信号导出进行一系列处理后，形成稳幅驱动力信号分别同时施加给Ax驱动电极与Ay轴驱动电极，能够控制振型匀速稳定进动，以减小模态切换过程中的动态响应，保证陀螺输出的连续性，确保模态切换过程中陀螺的稳定性。
2.控制稳幅驱动力信号的施加时间，当振型位置进动到Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极的角分线时，调制合成模块将相应的稳幅驱动力信号分别同时施加给Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极进行模态切换，此时施加在两电极上的驱动力大小相等，不会产生动态响应，进一步确保了模态切换过程中陀螺的稳定性。
3.通过用直流和交流电压共同控制振动，增大驱动电压，提高振型驱动速率，减小振型驱动时间，进一步保证了模态切换过程中陀螺输出的连续性，最终提高了陀螺精度和稳定性。
附图说明
图1是模态切换系统示意图；
具体实施方式
一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，具体系统图如附图1所示，其包括如下步骤：
S1:陀螺设置四对电极分别为Ax轴检测电极、Ay轴驱动电极、Ax轴驱动电极及Ay轴检测电极，每对电极的两个电极之间分别通过线缆连接且多对电极之间依次间隔45°；
具体的可如附图1所示，0°和180°电极为Ax轴检测电极，45°和225°电极为Ay轴驱动电极，90°和270°电极为Ax轴驱动电极，135°和315°电极为Ay轴检测电极。
S2: Ax轴检测电极输出的Ax轴检测位移信号x及Ay轴检测电极输出的Ay轴检测位移信号y分别通过相应的缓冲器缓冲后传输至相应的正交解调模块；
此时x和y满足式（8）
（8）
其中：为谐振子固有频率；/>为振动初始相位，/>为振动波腹点的振幅，/>为振动波节点的振幅，/>为振型角，t为时间；
S3:正交解调模块将x及y信号进行正交解调后，获得相应的正弦分量信号Sx、Sy以及余弦分量信号Cy、Cx，并将Cx、Sx、Cy、Sy信号传输给信号解算模块；具体各个正余弦成分分量Cx、Sx、Cy、Sy信号如式（9）所示，
（9）
其中为振动信号与参考信号的相位差。
S4: 信号解算模块根据式（1）、（2）（3）（4）对Cx、Sx、Cy、Sy进行信号解算，提取幅度控制回路被控信号a（振动波腹点的振幅）、正交控制回路被控信号q（振动波节点的振幅）、频率控制回路被控信号（振动信号与参考信号的相位差）及当前驻波方位角信号/>（振型角），并将被控信号及当前驻波方位角信号传输给PID控制模块；
（1）
（2）
（3）
（4）；
S5: PID控制模块根据S4中的被控信号作为控制输入，通过PID控制产生陀螺各条控制回路的控制力信号作为控制输出，传递给调制合成模块，调制合成模块根据当前驻波方位角信号将控制力信号按照式（5）进行失量合成，产生稳幅的Ax轴驱动力信号/>及Ay轴驱动力信号/>，分别同时施加给相应的Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极，
（5）
其中表示作用到Ax驱动电极与Ay轴驱动电极上的驱动力。
同时在Ax轴驱动电极施力，在Ay轴驱动电极上施力/>，使陀螺进行模态切换。由于经过一系列处理后，最后施加在Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极上为稳幅驱动力信号，其为交流信号，能够控制振型匀速进动，以减小模态切换过程中的动态响应，保证陀螺输出的连续性，确保模态切换过程中陀螺的稳定性。
优化的，S5中当振型位置进动到Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极的角分线时，调制合成模块将相应的驱动力信号及/>分别同时施加给Ax驱动电极与Ay轴驱动电极进行模态切换。
根据矢量合成原理，当振型位置进动到Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极的角分线时，和/>提供的驱动力幅值大小相等，此时进行切换的瞬间由于两电极驱动力大小相等，则不会产生动态响应，因此进一步确保了模态切换过程中陀螺的稳定性。根据式（5）可知，此时施加的驱动力F为式（10）
（10）
进一步，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的一端分别通过交流电源模块施加正弦交流电压，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的另一端分别通过直流电源模块施加直流偏置电压/>，通过直流电源模块对/>的修改来改变振型进动速率。
进一步，直流电源模块根据式（6）及式（7）对进行修改来改变振型进动速率：
（6）
（7）；
其中：其中：为振型进动速率；/>为谐振子固有频率；/>为力到角速度的标度；/>为施加的激励力；/>表示谐振子周向阻尼不均，/>表示最大阻尼轴时间常数，/>表示最小阻尼轴时间常数；/>表示阻尼轴与电极轴的夹角；/>为布莱恩系数；/>为外部输入角速度；/>，为真空介电常数；/>为激励电压中施加交流电压/>的幅值；/>为电极极板之间的静态距离；t为时间，S为电极的表面积大小。
具体原理:
在驱动电极上施加正弦交流电压，且有/>，同时给在驱动电极另一端施加直流偏置电压，此时有式（11）：
（11）
其中： 为激励电极极板之间电势差，即激励电压；/>为激励电压中施加交流电压的幅值；/>为交流电压的驱动频率，与上面式（8）中谐振子固有频率相同，/>为激励电压中施加直流偏置电压的大小。
根据静电力计算公式可知，施加到激励电极上的驱动力大小为式（12）
（12）
式中：，为真空介电常数；d为两激励电极之间的距离；S为电极的表面积大小；电极极板板间距离d由静态距离/>和谐振子振动状态下周期变化的振动位移u组成，即/>（13）
将式13代入式（12）中，可得式（14）
(14)
将式(14)对在/>处泰勒展开进行局部线性化，并保留前两项有式（15）：
（15）
式（15）表明驱动力主要由两部分组成，其中第一项力的大小与振动位移无关，只与输入电压有关。第二项是一个与振动位移相关的力，其方向与振动位移的方向相关。通常，第二项与输入电压及振动位移均相关，影响因素较多、效率低，一般不用来作控制之用。第一项在U变化的同时会产生一个常值分量和一些正弦分量，常值分量对谐振子的振动没有激励作用，应使用它的正弦分量对谐振子的振动进行驱动，且可通过改变电压U来改变控制力大小。
将式（11）带入式（15），可得驱动力大小为式（16）
（16）
由式（16）可知驱动电极上施加的电压会在谐振子上激发出三种力，其中第一部分正比于，是一个常值分量；第二部分正比于/>，频率为/>，幅值由共同决定；第三部分正比于/>，频率为/>，幅值仅由/>决定。后两部分可以用来激发谐振子的振动状态，我们使用直流和交流电压共同控制振动，选用第二部分项，其余部分可通过带通滤波器消除。因此有式（7）
（7）
由式（7）可知陀螺施力大小由共同决定，其中/>的大小即表示控制回路输出的控制力大小，不可随意更改，/>的大小可通过电源模块进行修改。因此可根据需求通过改变驱动电压改/>的大小改变施加到激励电极上的驱动力/>。
又根据lynch的谐振子运动方程，可得到振型进动速率为式(6)：
（6）
其中：k为力到角速度的标度，表示谐振子周向阻尼不均，/>表示最大阻尼轴时间常数；/>表示最小阻尼轴时间常数；/>表示阻尼轴与电极轴的夹角，/>为布莱恩系数；/>为外部输入角速度。
因此通过将式（6）、（7）结合，根据式（6）、（7）就可以通过直流电源模块对的修改改变振型进动速率，进而通过增大驱动电压提高振型驱动速率，减小振型驱动时间，保证模态切换过程中陀螺输出的连续性。
综上所述，本发明提出的一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，在模态切换过程中能够控制振型匀速稳定进动，且通过控制进动时机，可以尽可能消除动态响应，确保模态切换过程中陀螺的稳定性，并且通过增大驱动电压提高振型驱动速率，减小振型驱动时间，进一步保证模态切换过程中陀螺输出的连续性。
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 (4)
1.一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:陀螺设置四对电极分别为Ax轴检测电极、Ay轴驱动电极、Ax轴驱动电极及Ay轴检测电极，每对电极的两个电极之间分别通过线缆连接且多对电极之间依次间隔45°；
S2: Ax轴检测电极输出的Ax轴检测位移信号x及Ay轴检测电极输出的Ay轴检测位移信号y分别通过相应的缓冲器缓冲后传输至相应的正交解调模块；
S3:正交解调模块将x及y信号进行正交解调后，获得相应的正弦分量信号Sx、Sy以及余弦分量信号Cy、Cx，并将Cx、Sx、Cy、Sy信号传输给信号解算模块；
S4: 信号解算模块根据式（1）、（2）（3）（4）对Cx、Sx、Cy、Sy进行信号解算，提取幅度控制回路被控信号a、正交控制回路被控信号q、频率控制回路被控信号及当前驻波方位角信号/>，并将被控信号及当前驻波方位角信号传输给PID控制模块；
（1）
（2）
（3）
（4）；
S5: PID控制模块根据S4中的被控信号产生陀螺各条控制回路的控制力信号，传递给调制合成模块，调制合成模块根据当前驻波方位角信号将控制力信号按照式（5）进行失量合成，产生稳幅的Ax轴驱动力信号/>及Ay轴驱动力信号/>，分别同时施加给相应的Ax轴驱动电极与Ay轴驱动电极；
（5）；
其中表示作用到Ax驱动电极与Ay轴驱动电极上的驱动力。
2.根据权利要求1所述的一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，其特征在于，S5中当振型位置进动到Ax驱动电极与Ay轴驱动电极的角分线时，调制合成模块将相应的驱动力信号及/>分别同时施加给Ax驱动电极与Ay轴驱动电极进行模态切换。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，其特征在于，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的一端分别通过交流电源模块施加正弦交流电压，在Ax驱动电极及Ay轴驱动电极的另一端分别通过直流电源模块施加直流偏置电压/>，通过直流电源模块对/>的修改来改变振型进动速率。
4.根据权利要求3所述的一种基于振型主动进动的半球谐振陀螺模态切换方法，其特征在于，直流电源模块根据式（6）及式（7）对进行修改来改变振型进动速率：
（6）
（7）；
其中：为振型进动速率；/>为谐振子固有频率；/>为力到角速度的标度；/>为施加的激励力；/>表示谐振子周向阻尼不均，/>表示最大阻尼轴时间常数，/>表示最小阻尼轴时间常数；/>表示阻尼轴与电极轴的夹角；/>为布莱恩系数；/>为外部输入角速度；，为真空介电常数；/>为激励电压中施加交流电压/>的幅值；/>为电极极板之间的静态距离；t为时间，/>为电极的表面积大小。
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