CN117129019A - 一种半球谐振陀螺的自校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动陀螺技术领域，具体而言，涉及一种半球谐振陀螺的自校准系统。该系统包括频率控制回路、幅值控制回路、速率控制回路、正交控制回路和自校准控制模块；频率控制回路包括锁相环电路；幅值控制回路包括波腹检测电极组件、波腹激励电极组件、第一解调器和第一调制器；速率控制回路包括波节检测电极组件、波节激励电极组件、第二解调器和第二调制器；正交控制回路包括第三解调器和第三调制器；自校准控制模块包括第一转换开关、第二转换开关和第三转换开关。这样就解决了半球谐振陀螺在使用中会表现出相应的零位和标度因数误差的问题。

Description

一种半球谐振陀螺的自校准系统

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，具体而言，涉及一种半球谐振陀螺的自校准系统。

背景技术

半球谐振陀螺高精度、高可靠性、小型化等优势使其在许多领域发挥越来越重要的作用，具有极广阔的应用前景。受限于制造、电路、控制等因素，半球谐振陀螺在使用中会表现出相应的零位和标度因数误差。为了进一步提高陀螺的精度，需要对这些误差进行标定和补偿。

采用常规的分立式标定，需要高精度转台以及其他外部设备做支撑，操作相对复杂，成本较高；再者陀螺仪只能在出厂时进行一次出厂标定校准，但在运行过程中环境因素、器件老化、温度变化等都会引起陀螺系统参数的变化，从而导致陀螺测量精度的下降，因此需要定期将惯性装置从载体上拆下来，采用高精度转台对其重新进行标定，这样导致设备维修周期长，成本较高，同时也导致装备的完好率降低，极大地影响武器系统战时的保障性与维护性。

带旋转机构的惯性系统能够实现外场条件下的免拆卸标定，但是由于旋转机构的引入，增加了结构的复杂性，大大降低了系统的可靠性。通过载体机动实现的系统级免拆卸在线标定技术，除了需要载体进行特定的机动对误差进行激励外，还需要外界提供的信息作为观测信息。

半球谐振陀螺独特的工作原理，使其可以实现误差的在线自校准，通过模态反转和模态角旋转来识别和消除零偏和标度因数误差。半球谐振陀螺的这种自校准技术适用于所有对称的科氏振动陀螺仪。

发明内容

为解决半球谐振陀螺在使用中会表现出相应的零位和标度因数误差的问题，本发明提供了一种半球谐振陀螺的自校准系统，包括：

频率控制回路、幅值控制回路、速率控制回路、正交控制回路和自校准控制模块，所述频率控制回路包括锁相环电路；

所述幅值控制回路包括波腹检测电极组件、波腹激励电极组件、第一解调器和第一调制器，所述第一解调器和所述第一调制器信号连接；

所述速率控制回路包括波节检测电极组件、波节激励电极组件、第二解调器和第二调制器，所述第二解调器和所述第二调制器信号连接；

所述正交控制回路包括第三解调器和第三调制器，所述第三解调器和所述第三调制器信号连接；

所述自校准控制模块包括第一转换开关、第二转换开关和第三转换开关；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第一转换开关的L₁端子之间信号连接，所述第一转换开关的L端子和所述锁相环电路输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第一解调器信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第一调制器信号连接；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第一解调器信号连接，所述第一调制器的输出端和波腹激励电极组件信号连接；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第二转换开关的L₁端子之间信号连接，所述第二转换开关的L端子和所述第三解调器信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第一转换开关的L₂端子信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第二解调器的输入端信号连接，所述第二调制器的输出端和所述波节激励电极组件信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第二转换开关的L₂端子信号连接，所述第三调制器的输出端和所述第三转换开关的L端子之间信号连接，所述第三转换开关的L₁端子和所述波节激励电极组件信号连接。

在一些实施例中，所述幅值控制回路还包括第一加法器、第一参考幅值信号输入端和第一调节器，所述第一解调器的输出端和所述第一加法器信号的输入端信号连接，所述第一加法器的输入端和所述第一参考幅值信号输入端信号连接，所述第一加法器的输出端和所述第一调节器的输入端信号连接，所述第一调节器的输出端和所述第一调制器的输入端信号连接。

在一些实施例中，所述幅值控制回路还包括第一控制信号输出端，所述第一控制信号输出端和所述第一调节器输出端信号连接。

在一些实施例中，所述幅值控制回路还包括第二加法器，所述第二加法器的输入端和所述第一调制器的输出端信号连接，所述第二加法器的输出端和所述波腹激励电极组件信号连接。

在一些实施例中，所述速率控制回路还包括第三加法器、第二参考幅值信号输入端和第二调节器，所述第二解调器的输出端和所述第三加法器的输入端信号连接，所述第三加法器的输入端和所述第二参考幅值信号输入端信号连接，所述第三加法器的输出端和所述第二调节器的输入端信号连接，所述第二调节器的输出端和所述第二调制器的输入端信号连接。

在一些实施例中，所述速率控制回路还包括第二控制信号输出端，所述第二控制信号输出端和所述第二调节器输出端信号连接。

在一些实施例中，所述速率控制回路还包括第四加法器，所述第四加法器的输入端和所述第二调制器的输出端信号连接，所述第四加法器的输出端和所述波节激励电极组件信号连接，所述第四加法器的输入端与第三转换开关的L₁端子信号连接。

在一些实施例中，所述正交控制回路还包括第一信号取反器，所述第一信号取反器的输入端和所述波腹检测电极组件输出端信号连接，所述第一信号取反器的输出端和所述第二转换开关的L₁端子之间信号连接。

在一些实施例中，所述正交控制回路还包括第二信号取反器，所述第二信号取反器的输出端和所述第二加法器的输入端信号连接，所述第二信号取反器的输入端和所述第三转换开关的L₂端子之间信号连接。

在一些实施例中，所述锁相环电路的输出端和所述第二解调器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第三解调器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第二调制器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第三调制器的输入端信号连接。

为解决半球谐振陀螺在使用中会表现出相应的零位和标度因数误差的问题，本发明有以下优点：

应用本发明的技术方案，提供了一种半球谐振陀螺的自校准方法，该方法通过模态反转和模态角旋转来实现零偏和标度因数在线自校准。与现有技术相比，本发明所提供的“软转换”标定方法，能够保证锁相环在模态转换过程中可靠工作，同时消除转换过程中控制回路各组件信号出现的干扰和过渡，实现标定过程中角速度的精确测量。

附图说明

图1示出了一种实施例的半球谐振陀螺谐振子的电极分布示意图；

图2示出了一种实施例的半球谐振陀螺的自校准系统数据传输示意图。

附图标记：

10-第一加法器；11-第二加法器；12-第三加法器；13-第四加法器；20-第一转换开关；21-第二转换开关；22-第三转换开关；30-第一信号取反器；31-第二信号取反器。

具体实施方式

现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本实施例公开了一种半球谐振陀螺的自校准系统，如图1和图2所示，可以包括：

频率控制回路、幅值控制回路、速率控制回路、正交控制回路和自校准控制模块；

频率控制回路包括锁相环电路；

幅值控制回路包括波腹检测电极组件、波腹激励电极组件、第一解调器和第一调制器，第一解调器和第一调制器信号连接；

速率控制回路包括波节检测电极组件、波节激励电极组件、第二解调器和第二调制器，第二解调器和第二调制器信号连接；

正交控制回路包括第三解调器和第三调制器，第三解调器和第三调制器信号连接；

自校准控制模块包括第一转换开关20、第二转换开关21和第三转换开关22；

波腹检测电极组件的输出端和第一转换开关20的L₁端子之间信号连接，第一转换开关20的L端子和锁相环电路输入端信号连接，锁相环电路的输出端和第一解调器信号连接，锁相环电路的输出端和第一调制器信号连接；

波腹检测电极组件的输出端和第一解调器信号连接，第一调制器的输出端和波腹激励电极组件信号连接；

波腹检测电极组件的输出端和第二转换开关21的L₁端子之间信号连接，第二转换开关21的L端子和第三解调器信号连接；

波节检测电极组件的输出端和第一转换开关20的L₂端子信号连接；

波节检测电极组件的输出端和第二解调器的输入端信号连接，第二调制器的输出端和波节激励电极组件信号连接；

波节检测电极组件的输出端和第二转换开关21的L₂端子信号连接，第三调制器的输出端和第三转换开关22的L端子之间信号连接，第三转换开关22的L₁端子和波节激励电极组件信号连接，第三转换开关22的L₂端子和波腹激励电极组件信号连接。

如图1所示陀螺激励电极和检测电极相对于谐振子的分布情况，激励电极1、5、4、8和检测电极2、6、3、7沿着谐振子均匀分布。在本实例中，激励电极1、5安置在波腹激励轴相对的两端，检测电极3、7安置在波腹检测轴相对的两端，并与波腹激励轴成90°角。激励电极4、8安置在波节激励轴相对的两端，检测电极2、6安置在波节检测轴相对的两端，并与波节激励轴成90°角。在波腹激励电极1、5的驱动下，可以产生沿波腹激励轴的振动，且该振动的频率为谐振子的谐振频率。如果半球谐振陀螺没有旋转，谐振子的振型上将会出现四个节点，谐振子结构在这四个节点上是静止不动的。这四个节点处于节点检测轴和节点激励轴上。

当陀螺旋转时，波腹的激励轴也随着旋转，谐振子上波腹的激励振动随着陀螺的旋转而旋转，但是，谐振子振动的惯性将会导致振动的旋转滞后于陀螺的旋转。如果在波节上没有施加外力，那么谐振子的振动将会在波节处被检测到。

为了测量陀螺的转速，通过波节激励电极4、8可以将波节点位移置零，这样谐振子在波节上就不会出现振动。用来使波节点位移置零而施加的力与陀螺的转速成比例，通过检测这个力的大小就可以测量陀螺的旋转角速度。

锁相环用来保持谐振子在谐振频率处的振动。波腹检测信号输入到锁相环中，锁相环基于波腹检测信号的频率和相位输出激励相位参考信号和检测相位参考信号/>。激励相位参考信号/>的频率与驱动谐振子振动的频率相同，与谐振子沿波腹激励轴的振动同相。检测相位参考信号/>与激励相位参考信号/>相位差恒为90°。

在一些实施例中，幅值控制回路还包括第一加法器10、第一参考幅值信号输入端和第一调节器，第一解调器的输出端和第一加法器10的输入端信号连接，第一加法器10的输入端和第一参考幅值信号输入端信号连接，第一加法器10的输出端和第一调节器的输入端信号连接，第一调节器的输出端和第一调制器的输入端信号连接。

在本实施例中，幅值控制回路可以包括：检测相位参考信号输入到第一解调器中，第一解调器输出一个能够反映波腹检测信号振幅的直流信号。这个直流信号通过第一加法器10从参考幅值信号中减去，/>是谐振子振动所期望的幅值。

在一些实施例中，幅值控制回路还包括第一控制信号输出端，第一控制信号输出端和第一调节器输出端信号连接。

进一步地，在本实施例中，第一加法器得到的差值作为第一调节器的输入，其输出为第一控制信号。式（1）给出了/>的近似表达式。

(1)

其中，是陀螺的放大系数，/>是谐振子的阻尼系数，/>是谐振子激励振动的振幅。放大系数/>与检测电极和激励电极的电气增益以及控制系统的增益有关。

在一些实施例中，幅值控制回路还包括第二加法器11，第二加法器11的输入端和第一调制器的输出端信号连接，第二加法器11的输出端和波腹激励电极组件信号连接。

进一步地，在本实施例中，第一控制信号经过激励相位参考信号调制后作为波腹激励信号作用到激励电极1、5上，以驱动激励电极克服谐振子中的阻尼力振动。

在一些实施例中，速率控制回路还包括第三加法器12、第二参考幅值信号输入端和第二调节器，第二解调器的输出端和第三加法器12的输入端信号连接，第三加法器12的输入端和第二参考幅值信号输入端信号连接，第三加法器12的输出端和第二调节器的输入端信号连接，第二调节器的输出端和第二调制器的输入端信号连接。

在本实施例中，速率控制回路可以包括，第二解调器以相位参考信号为参考对波节检测信号进行解调，第二解调器输出的直流信号反映了在波节处由于波腹激励电极激发的振动而产生的振幅，这个振动是由于陀螺的旋转引起的。第二个参考振幅信号/>反映的是谐振子沿波节轴所期望的振幅，在陀螺仪正常工作下，期望波节振幅置零，这样就可以保证沿着波节轴没有振动，所以第二个参考振幅信号/>被设置为零。

进一步地，在本实施例中，第二参考振幅信号与第二解调器输出的直流信号的差值被输入到第二调节器中，调节器输出第二控制信号/>，该控制信号与陀螺的转动速率相关。

在一些实施例中，速率控制回路还包括第四加法器13，第四加法器13的输入端和第二调制器的输出端信号连接，第四加法器13的输出端和波节激励电极组件信号连接，所述第四加法器13的输入端与第三转换开关22的L₁端子信号连接。

进一步地，在本实施例中，第二控制信号经第二调制器调制以后作用到波节激励电极上，产生用于抵消由波腹轴的振动和陀螺的旋转引起的沿波节轴振动的力。

在一些实施例中，波节检测电极组件的输出端和所述第二转换开关的L₂端子信号连接，所述第三调制器的输出端和所述第三转换开关的L端子之间信号连接，所述第三转换开关的L₁端子和所述波节激励电极组件信号连接。

进一步地，在本实施例中，正交控制回路可以包括，第三解调器根据相位参考信号对波节检测信号进行解调，解调器输出的直流信号反映的是沿波节检测轴正交振动的振幅，是一个误差信号。这个误差信号的出现是由于谐振子振动模态之间的频率不匹配，引起振动模态离开波腹激励轴和/或波腹检测轴，从而诱发谐振结构在波节处的正交振动。之后这个误差信号经过第三调节器和第三调制器处理后，作用到波节激励电极上，产生用于抵消在波节处的正交振动的力。

在一些实施例中，锁相环电路的输出端和第二解调器的输入端信号连接，锁相环电路的输出端和第三解调器的输入端信号连接，锁相环电路的输出端和第二调制器的输入端信号连接，锁相环电路的输出端和第三调制器的输入端信号连接。

在本实施例中，如图2所示，锁相环电路输出的信号与第一解调器、第二解调器、第三调制器输入端连接，输出的/>信号与第一调制器、第二调制器、第三解调器输入端连接。

在本实施例中，如图2所示，控制电路中引入了3个转换开关，分别为第一转换开关20、第二转换开关21、第三转换开关22。

自校准控制模块可以通过控制第一参考幅值信号和第二参考幅值信号/>，实现波腹激励轴相对于谐振子角位置的改变，从而实现模态交换。第一和第二参考幅值信号通过式（2）来设定：

(2)

角以恒定的变化速度从0增大到 />，当/>达到/>时，完成所有开关的转换。第一转换开关20将锁相环的输入从第一对检测电极3、7输出的检测信号转换到第二对电极2、6输出的检测信号，这样，可以保证锁相环的输入有足够的幅值使其进行稳定的工作。第二转换开关21将正交回路中解调器的输入从检测电极2、6的输出信号转换到检测电极3、7的输出信号。

在一些实施例中，正交控制回路还包括第一信号取反器30，第一信号取反器30的输入端和波腹检测电极组件信号连接，第一信号取反器30的输出端和第二转换开关21的L₁端子之间信号连接。

在本实施例中，为了避免输入到正交回路中信号的突变，检测信号在第二转换开关21之前引入第一信号取反器30对信号取反，正交回路调制出来的信号需要通过第三转换开关22进行转换将其作用到激励电极1、5上，为了抵消之前检测信号取反的结果，需要将正交回路中第三调制器输出的信号也取反，所以正交控制回路还包括第二信号取反器31；

第二信号取反器31的输入端和第三转换开关22的L₂端子信号连接，第二信号取反器31的输出端和第二加法器11的输入端信号连接。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体案例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺的自校准系统包括：

频率控制回路、幅值控制回路、速率控制回路、正交控制回路和自校准控制模块，所述频率控制回路包括锁相环电路；

所述幅值控制回路包括波腹检测电极组件、波腹激励电极组件、第一解调器和第一调制器，所述第一解调器和所述第一调制器信号连接；

所述速率控制回路包括波节检测电极组件、波节激励电极组件、第二解调器和第二调制器，所述第二解调器和所述第二调制器信号连接；

所述正交控制回路包括第三解调器和第三调制器，所述第三解调器和所述第三调制器信号连接；

所述自校准控制模块包括第一转换开关、第二转换开关和第三转换开关；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第一转换开关的L₁端子之间信号连接，所述第一转换开关的L端子和所述锁相环电路输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第一解调器信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第一调制器信号连接；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第一解调器信号连接，所述第一调制器的输出端和波腹激励电极组件信号连接；

所述波腹检测电极组件的输出端和所述第二转换开关的L₁端子之间信号连接，所述第二转换开关的L端子和所述第三解调器的输入端信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第一转换开关的L₂端子信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第二解调器的输入端信号连接，所述第二调制器的输出端和所述波节激励电极组件信号连接；

所述波节检测电极组件的输出端和所述第二转换开关的L₂端子信号连接，所述第三调制器的输出端和所述第三转换开关的L端子之间信号连接，所述第三转换开关的L₁端子和所述波节激励电极组件信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述幅值控制回路还包括第一加法器、第一参考幅值信号输入端和第一调节器，所述第一解调器的输出端和所述第一加法器的输入端信号连接，所述第一加法器的输入端和所述第一参考幅值信号输入端信号连接，所述第一加法器的输出端和第一调节器的输入端信号连接，所述第一调节器的输出端和所述第一调制器的输入端信号连接。

3.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述幅值控制回路还包括第一控制信号输出端，所述第一控制信号输出端和所述第一调节器输出端信号连接。

4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述幅值控制回路还包括第二加法器，所述第二加法器的输入端和所述第一调制器的输出端信号连接，所述第二加法器的输出端和所述波腹激励电极组件信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述速率控制回路还包括第三加法器、第二参考幅值信号输入端和第二调节器，所述第二解调器的输出端和所述第三加法器的输入端信号连接，所述第三加法器的输入端和所述第二参考幅值信号输入端信号连接，所述第三加法器的输出端和第二调节器的输入端信号连接，所述第二调节器的输出端和所述第二调制器的输入端信号连接。

6.根据权利要求5所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述速率控制回路还包括第二控制信号输出端，所述第二控制信号输出端和所述第二调节器输出端信号连接。

7.根据权利要求6所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述速率控制回路还包括第四加法器，所述第四加法器的输入端和所述第二调制器的输出端信号连接，所述第四加法器的输出端和所述波节激励电极组件信号连接，所述第四加法器的输入端与第三转换开关的L₁端子信号连接。

8.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述正交控制回路还包括第一信号取反器，所述第一信号取反器的输入端和所述波腹检测电极组件输出端信号连接，所述第一信号取反器的输出端和所述第二转换开关的L₁端子之间信号连接。

9.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述正交控制回路还包括第二信号取反器，所述第二信号取反器的输出端和所述第二加法器的输入端信号连接，所述第二信号取反器的输入端和所述第三转换开关的L₂端子之间信号连接。

10.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的自校准系统，其特征在于，

所述锁相环电路的输出端和所述第二解调器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第三解调器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第二调制器的输入端信号连接，所述锁相环电路的输出端和所述第三调制器的输入端信号连接。