CN117110643A - 速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法 - Google Patents

Abstract

速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，属于惯性技术领域。本发明是为了解决现有速率积分半球谐振陀螺控制方法存在驻波方位角的测量噪声大，陀螺的输出精度差的问题。本发明将陀螺固有工作频率作为正向行波和反向行波频率的初始值，计算获取正向行波和反向行波的参考信号；利用参考信号，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，利用一次解调量，获取陀螺角速率二次解调量；计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差；利用相位差，计算正向行波和反向行波参考信号，对半球谐振子正反向行波的闭环实时跟踪，计算速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值。本发明用于速率积分半球谐振陀螺角速率输出控制。

Description

速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法

技术领域

本发明属于惯性技术领域。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型的惯性传感器，其工作原理基于柯式效应，能够实现角速率或角位置的精确测量。力平衡半球谐振陀螺的相关技术比较成熟，在这种工作模式下，谐振子驻波通过速率控制回路被控制在固定位置，控制力的大小反应陀螺敏感到的角速率输入，但受限于控制力的大小，力平衡半球谐振陀螺的测量范围受到了明显限制。速率积分半球谐振陀螺是半球谐振陀螺领域的研究热点，其与技术较为成熟的力平衡半球谐振陀螺相比，具备更大的角速率测量范围，同时，其结构及控制方法也更为简单，随着相关技术的发展，速率积分半球谐振陀螺的精度也在不断提高，也因此获得了更多的应用。现有速率积分半球谐振陀螺的控制方案主要由幅度控制回路、正交控制回路及频率控制回路组成，上述三个控制回路分别实现半球谐振子的振动能量补充、频差抑制及频率跟踪，相比与力平衡半球谐振陀螺，缺少了速率控制回路使得速率积分半球谐振陀螺中振子驻波处于自由进动状态，从而获得了更大的角速率测量范围。

根据速率积分半球谐振陀螺控制方案的具体实施方法的不同，陀螺角速率输出方案也并不相同，目前常见的控制方法中以振子驻波为控制对象，在这种实施方案中，通过控制环路维持谐振子驻波幅度抑制正交波幅度，并通过检测电极计算得到振子驻波方位角，进一步通过时间差分得到陀螺角速率输出，这种方法由于时间差分导致驻波方位角的测量噪声被进一步放大，影响陀螺的输出精度。

发明内容

本发明是为了解决现有速率积分半球谐振陀螺控制方法存在驻波方位角的测量噪声大，陀螺的输出精度差的问题，现提供一种速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法。

本发明所述速率积分半球谐振陀螺角速率输出控制方法，包括：

步骤一、获取待控制的速率积分半球谐振陀螺的固有工作频率；将所述固有工作频率作为正向行波和反向行波频率的初始值，采用锁相环功能电路，计算获取正向行波和反向行波的参考信号；

步骤二、采集速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号；将正向行波和反向行波的参考信号作为解调参考信号，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取陀螺输出角速率的一次解调量；

步骤三、利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取陀螺角速率输出二次解调量；

步骤四、利用所述陀螺角速率输出二次解调量，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与步骤一所述的正向行波和反向行波参考信号的相位差；

步骤五、将所述的相位差，作为PI控制器的输入，计算当前正向行波和反向行波参考信号，将该参考信号作为下一时刻的解调参考信号，返回执行步骤二，直至速率积分半球谐振陀螺采集工作结束；同时，利用当前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率，计算速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值Ω′。

进一步地，本发明中，步骤一中，正向行波和反向行波的参考信号为：

其中，p_c,p_s,n_c,n_s分别为正向行波余弦参考信号、正向行波正弦参考信号、反向行波余弦参考信号和反向行波正弦参考信号；ω′_p,ω_n′分别为数字控制器锁相环生成的正向行波及反向行波的频率，为锁相环生成的参考信号的相位，ω′_p,ω_n′的初值均为ω₀。

进一步地，本发明中，步骤二中，采集的速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号为：

其中，U_X和U_Y为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号，G为检测电路信号增益，a为半球谐振子振动幅度，k为半球谐振陀螺进动因子，Ω为半球谐振陀螺敏感轴输入角速率，t为陀螺工作时间，θ₀为半球谐振子初始驻波方位角，ω₀为半球谐振陀螺固有振动频率，为半球谐振陀螺初始时间相位。

进一步地，本发明中，步骤二中，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取的陀螺输出角速率的一次解调量为：

其中，

其中，U_{X_pc},U_{X_ps},U_{X_nc},U_{X_ns},U_{Y_pc},U_{Y_ps},U_{Y_nc},U_{Y_ns}分别为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量和反向行波余弦一次解调量。

进一步地，本发明中，步骤三中，利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取的陀螺角速率输出二次解调量为：

H为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的和，I为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的差，J为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的余弦、正弦一次解调量的差，K为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的正弦、余弦一次解调量的和。

进一步地，本发明中，步骤四中，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差为：

分别为两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差。

进一步地，本发明中，步骤五中，利用所述的相位差计算当前时刻正向行波和反向行波参考信号的方法为：

将两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差作为P-I控制器的输入，获取正反向行波参考信号的频率，利用所述参考信号的频率，将所述参考信号的频率作为信号生成器的输入，获得当前时刻正向行波和反向行波参考信号。

进一步地，本发明中，步骤五中，当前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率为：

其中，k_p为PI控制器的比例环节增益，k_i为PI控制器的积分环节增益，i表示时刻，m＝0，1，2，...，i。

进一步地，本发明中，步骤五中，计算的速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值Ω′为：

本申请提出的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，通过将半球谐振子驻波等效为幅度相同方向相反的一组正向行波和反向行波，利用数字控制电路实现锁相环功能，完成正反向行波的频率跟踪，并通过正反向行波的频率差计算得到速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率输入的测量值，即陀螺的角速率输出，通过该方法可有效抑制陀螺输出噪声，提高陀螺输出精度。

本申请能够有效解决原有速率积分半球谐振陀螺角速率输出方案下，需先通过电极检测信号计算得到半球谐振子驻波方位角，再通过差分计算得到角速率导致的角速率输出噪声偏大以及复杂计算导致的计算精度下降的问题，通过本申请，简化了速率积分半球谐振陀螺角速率输出计算复杂度，提升了陀螺的角速率输出精度，进一步，陀螺的零偏稳定性及标度因数线性度也将提升，并最终达到提高速率积分半球谐振陀螺整体性能的目的，为陀螺的广泛应用提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明所述方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出控制方法，包括：

步骤一、获取待控制的速率积分半球谐振陀螺的固有工作频率；将所述固有工作频率作为正向行波和反向行波频率的初始值，采用锁相环功能电路，计算获取正向行波和反向行波的参考信号；

步骤二、采集速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号；将正向行波和反向行波的参考信号作为解调参考信号，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取陀螺输出角速率的一次解调量；

步骤三、利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取陀螺角速率输出二次解调量；

步骤四、利用所述陀螺角速率输出二次解调量，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与步骤一所述的正向行波和反向行波参考信号的相位差；

步骤五、将所述的相位差，作为PI控制器的输入，计算当前正向行波和反向行波参考信号，将该参考信号作为下一时刻的解调参考信号，返回执行步骤二，直至速率积分半球谐振陀螺采集工作结束；同时，利用当前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率，计算速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值。

进一步地，本发明中，步骤一中，正向行波和反向行波的参考信号为：

其中，p_c,p_s,n_c,n_s分别为正向行波余弦参考信号、正向行波正弦参考信号、反向行波余弦参考信号和反向行波正弦参考信号；ω′_p,ω_n′分别为数字控制器锁相环生成的正向行波及反向行波的频率，为锁相环生成的参考信号的相位，ω′_p,ω_n′的初值均为ω₀。

进一步地，本发明中，步骤二中，采集的速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号为：

其中，U_X和U_Y为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号，G为检测电路信号增益，a为半球谐振子振动幅度，k为半球谐振陀螺进动因子，Ω为半球谐振陀螺敏感轴输入角速率，t为陀螺工作时间，θ₀为半球谐振子初始驻波方位角，ω₀为半球谐振陀螺固有振动频率，为半球谐振陀螺初始时间相位。

进一步地，本发明中，步骤二中，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取的陀螺输出角速率的一次解调量为：

其中，

其中，U_{X_pc},U_{X_ps},U_{X_nc},U_{X_ns},U_{Y_pc},U_{Y_ps},U_{Y_nc},U_{Y_ns}分别为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量和反向行波余弦一次解调量。

进一步地，本发明中，步骤三中，利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取的陀螺角速率输出二次解调量为：

H为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的和，I为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的差，J为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的余弦、正弦一次解调量的差，K为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的正弦、余弦一次解调量的和。

进一步地，本发明中，步骤四中，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差为：

分别为两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差。

进一步地，本发明中，步骤五中，利用所述的相位差计算当前时刻正向行波和反向行波参考信号的方法为：

将两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差作为P-I控制器的输入，获取正反向行波参考信号的频率，利用所述参考信号的频率，将所述参考信号的频率作为信号生成器的输入，获得当前时刻正向行波和反向行波参考信号。

进一步地，本发明中，步骤五中，前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率为：

其中，k_p为PI控制器的比例环节增益，k_i为PI控制器的积分环节增益，i表示时刻，m＝0，1，2，...，i。

进一步地，本发明中，步骤五中，计算的速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值Ω′为：

本申请针对速率积分半球谐振陀螺原有角速率输出方案采用半球谐振子驻波方位角差分的方法所面临的驻波方位角计算精度受限及驻波方位角差分噪声偏大的问题，提出了一种新的基于行波频率跟踪的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法。该方法首先将半球谐振子驻波等效为幅度相同，方向相反的一组行波，并以数字控制电路为基础，利用数字控制电路实现P-I控制器及直接信号生成器从而实现锁相环的功能，该方法中给出了基于行波信息的陀螺检测电压信号的解调方法，获取解调信号中的关键相位信息，并以此作为锁相环的控制误差输入，从而实现行波频率的实时闭环跟踪，进一步依据行波频率获取陀螺敏感轴角速率输入测量值，提高了陀螺角速率输出精度，并进一步达到提升速率积分半球谐振陀螺综合性能的目的。

具体实施例：

参照图1具体说明本实施例，具体包括以下步骤：

S1：速率积分半球谐振陀螺上电并预热使其处于正常工作状态；

S2：利用数字控制电路获取速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号U_X及U_Y；

S3：半球谐振子驻波可分解为幅度相同、方向相反的一组行波，利用数字控制电路实时跟踪正反向行波频率，在数字控制电路中，正反向行波频率ω′_p,ω_n′的初值均设置为ω₀；

S4：利用数字控制电路实现锁相环功能并产生与正向行波及反向行波相对应的两组信号p_c,p_s,n_c,n_s用作解调参考信号；

S5：利用生成的两组参考信号在数字控制电路中对电极检测信号U_X及U_Y进行解调，并通过数字控制电路实现低通滤波器，去除信号中的高频分量，从而得到陀螺角速率输出一次解调量U_{X_pc},U_{X_ps},U_{X_nc},U_{X_ns},U_{Y_pc},U_{Y_ps},U_{Y_nc},U_{Y_ns}；

S6：在数字控制电路中对陀螺角速率输出一次解调量进行组合计算得到陀螺角速率输出二次解调量H,I,J,K；

S7：进一步基于陀螺角速率输出二次解调量求解得到所需的解调信号相位

S8：以解调信号相位作为数字控制电路P-I控制器的输入误差量，并以P-I控制器的输出量为基础即可实现半球谐振子正反向行波的实时跟踪，并产生新的正反向行波频率ω′_p,ω_n′。相应的，按照新的正反向行波频率ω′_p,ω_n′，重复执行步骤五-步骤八即可实现对半球谐振子正反向行波的闭环实时跟踪；同时执行步骤九；

S9：依据ω′_p,ω_n′数字控制器锁相环生成的正向行波及反向行波的频率ω′_p,ω_n′计算并输出速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率输入测量值Ω′。

综上，实现了速率积分半球谐振陀螺的角速率输出。

本申请主要针对原有速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法受噪声及计算精度影响较大的问题，提出了一种基于行波频率跟踪的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，本发明要点如下：

1.本申请以半球谐振子驻波的等效分解为基础，将半球谐振子的振动信号分解为幅度相同方向相反的一组行波信号，行波信号的频率信息中包含速率积分半球谐振陀螺敏感轴输入角速率信息，如式下所示；

2.本申请以幅度相同，方向相反的一组行波信号作为信号解调的参考信号，给出了可以得到角速率输出一次解调量的解调方法，其数学表达式如式(4)、式(5)及式(6)所示；

3.本申请在角速率输出一次解调量的基础上给出了相应的数据处理方法以得到式(7)中的关键信息，其处理方法如式(8)、式(9)所示，并创新性的以其结果作为数字控制电路中锁相环闭环控制回路中所必须的误差量，从而实现半球谐振子正反向行波频率的闭环实时跟踪；

4.本申请中给出了半球谐振子正反向行波频率与陀螺敏感轴输入角速率测量值之间的关系，如式(10)所示，从而实现了速率积分半球谐振陀螺的角速率输出，该方法易于实现，能够有效提高陀螺输出精度、零偏稳定性、标度因数线性度等性能指标

总的来说，本申请能够有效提升速率积分半球谐振陀螺的角速率输出精度，并进步达到提升陀螺零偏稳定性、标度因数线性度等性能指标的目的，对速率积分半球谐振陀螺的发展有着突出作用，该方法的有效性，对速率积分半球谐振陀螺的广泛应用有着重要意义。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，包括：

步骤一、获取待控制的速率积分半球谐振陀螺的固有工作频率；将所述固有工作频率作为正向行波和反向行波频率的初始值，采用锁相环功能电路，计算获取正向行波和反向行波的参考信号；

步骤二、采集速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号；将正向行波和反向行波的参考信号作为解调参考信号，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取陀螺输出角速率的一次解调量；

步骤三、利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取陀螺角速率输出二次解调量；

步骤四、利用所述陀螺角速率输出二次解调量，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与步骤一所述的正向行波和反向行波参考信号的相位差；

步骤五、将所述的相位差，作为PI控制器的输入，计算当前正向行波和反向行波参考信号，将该参考信号作为下一时刻的解调参考信号，返回执行步骤二，直至速率积分半球谐振陀螺采集工作结束；同时，利用当前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率，计算速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值。

2.根据权利要求1所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤一中，正向行波和反向行波的参考信号为：

其中，p_c,p_s,n_c,n_s分别为正向行波余弦参考信号、正向行波正弦参考信号、反向行波余弦参考信号和反向行波正弦参考信号；ω′_p,ω_n′分别为数字控制器锁相环生成的正向行波及反向行波的频率，为锁相环生成的参考信号的相位，ω′_p,ω_n′的初值均为ω₀。

3.根据权利要求2所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤二中，采集的速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号为：

其中，U_X和U_Y为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号，G为检测电路信号增益，a为半球谐振子振动幅度，k为半球谐振陀螺进动因子，Ω为半球谐振陀螺敏感轴输入角速率，t为陀螺工作时间，θ₀为半球谐振子初始驻波方位角，ω₀为半球谐振陀螺固有振动频率，为半球谐振陀螺初始时间相位。

4.根据权利要求3所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤二中，采用低通滤波器对电极检测信号进行一次解调，获取的陀螺输出角速率的一次解调量为：

其中，

其中，U_{X_pc},U_{X_ps},U_{X_nc},U_{X_ns},U_{Y_pc},U_{Y_ps},U_{Y_nc},U_{Y_ns}分别为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量和反向行波余弦一次解调量。

5.根据权利要求4所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤三中，利用所述陀螺输出角速率的一次解调量进行正余弦对应组合，获取的陀螺角速率输出二次解调量为：

H为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的和，I为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号正向行波的正弦、余弦一次解调量的差，J为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的余弦、正弦一次解调量的差，K为速率积分半球谐振陀螺正常工作时的两组电极检测信号反向行波的正弦、余弦一次解调量的和。

6.根据权利要求5所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤四中，计算两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差为：

分别为两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差。

7.根据权利要求6所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤五中，利用所述的相位差计算当前时刻正向行波和反向行波参考信号的方法为：

将两组电极检测信号的正向行波和反向行波与正向行波和反向行波参考信号的相位差作为P-I控制器的输入，获取正反向行波参考信号的频率，利用所述参考信号的频率，将所述参考信号的频率作为信号生成器的输入，获得当前时刻正向行波和反向行波参考信号。

8.根据权利要求7所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤五中，当前时刻的正向行波和反向行波参考信号的频率为：

其中，k_p为PI控制器的比例环节增益，k_i为PI控制器的积分环节增益，i表示时刻，m＝0，1，2，...，i。

9.根据权利要求8所述的速率积分半球谐振陀螺角速率输出方法，其特征在于，步骤五中，计算的速率积分半球谐振陀螺敏感轴角速率测量值Ω′为：