CN117608326A - 一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪技术领域，公开了一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统及方法，通过图像识别技术采集谐振子的振幅变化情况，并与基座电极检测到的振幅电信号结合，两方面判断振幅变化规律及趋势，并根据振幅变化规律和趋势提前进行能量补偿，提高了半球谐振陀螺的精度和稳定性，另外，图像识别和电极检测双路判断提高了振幅判断的可靠性。

Description

一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统及方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统及方法。

背景技术

随着各国军事科技的发展，现代战争的作战模式正在转变，实现这些转变的原因之一是武器系统逐渐运用了惯性导航设备。目前惯性传感器领域新兴的陀螺为半球谐振陀螺，半球谐振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、对加速度不敏感，有良好的抗冲击性，能承受大的机动过载，抗辐射能力强，独有的瞬间断电工作保持能力等优势。半球谐振陀螺是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺，主要由激励罩、半球谐振子和含有信号检测电极(位移拾振传感器)的基座三部分构成。激励罩位于陀螺仪的顶端，其上有分布电极。在谐振子加工完毕后要在谐振子表面和激励罩的分布电极处进行金属镀膜，从而使谐振子与激励罩分布电极处形成电容器。根据电容器原理，当对激励罩上的离散激励电极或环形激励电极施加激励电压时，电极将对谐振子产生电力作用，进而提供谐振子振动所需要的能量。激励电极产生的激励力是实现谐振子振动振幅控制的控制力。激励电极限主要是为了补偿谐振子震动过程中由于阻尼作用导致的振幅减小，目前的振幅控制都是在基于基座电极检测振幅并根据检测的振幅结果进行施力补偿，这种方式存在的问题是检测到振幅衰减后才进行计算、控制、施力、补偿，振幅的补偿是滞后于振幅衰减，振幅衰减已经发生，造成的误差已经影响到陀螺仪的精度，如果在幅度衰减前就将振幅进行补偿，使得振幅保持在参考振幅范围内，那将进一步提升陀螺仪的精度。

发明内容

针对上述现有技术中振幅补偿滞后于振幅衰减，导致陀螺仪精度不高的问题，提供一种可对振幅衰减进行预判，在振幅衰减之前就进行振幅补偿的控制系统和方法，具体方案如下：

一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，包括振幅检测装置、计算中心、振幅控制装置，振幅检测装置检测到的振幅信号包括电信号和图像信号，所述计算中心可根据所述振幅检测装置检测到的振幅信号得到谐振子的振幅变化规律和趋势，并控制所述振幅控制装置进行能量补偿。

进一步地，所述振幅检测装置包括：

基座电极，用于通过电信号检测谐振子的振幅，和图像获取装置，用于通过图像获取谐振子的形变信息，进而获得谐振子振幅图像；所述计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案。

进一步地，所述计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案包括：将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，以振幅图像Ⅰ为模板，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

进一步地，所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标，/>为两个特征向量之间的偏移量， />为特征向量1的相关系数， />为特征向量2的相关系数。

进一步地，所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。

进一步地，为了更清楚的获取振幅图像信息，所述谐振子上设有标记，用于在谐振子振动时辅助获取谐振子形变信息。

进一步地，本发明还基于上述半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，提供一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制方法，包括以下步骤：

基座电极和图像获取装置检测谐振子振幅，并将振幅信息传输至计算中心；

计算中心对振幅信息进行分析判断并确定能量补偿方案；

计算中心控制振幅控制装置对谐振子进行能量补偿。

进一步地，将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标， />为两个特征向量之间的偏移量， />为特征向量1的相关系数， />为特征向量2的相关系数。

进一步地，所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。

所述振幅变化规律为振幅随时间变化关系，所述能量补偿方案包括能量随时间变化关系，所述能量与所述振幅的衰减程度呈正相关。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过图像识别技术采集谐振子的振幅变化情况，并与基座电极检测到的振幅电信号结合，通过图像处理相似度计算，综合电极和图像获取两方面判断振幅变化规律及趋势，并根据振幅变化规律和趋势提前进行能量补偿，提高了半球谐振陀螺的精度和稳定性，另外，图像识别和电极检测双路判断提高了振幅判断的可靠性。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，如图1所示，包括振幅检测装置、计算中心、振幅控制装置，振幅检测装置检测到的振幅信号包括电信号和图像信号，所述计算中心可根据所述振幅检测装置检测到的振幅信号得到谐振子的振幅变化规律和趋势，并控制所述振幅控制装置进行能量补偿。

所述振幅检测装置包括：基座电极，用于通过电信号检测谐振子的振幅，和图像获取装置，用于通过图像获取谐振子的形变信息，进而获得谐振子振幅图像；所述计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案。

计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案包括：将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，以振幅图像Ⅰ为模板，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标，/>为两个特征向量之间的偏移量，/>为特征向量1的相关系数，/>为特征向量2的相关系数。

所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。

图像获取装置实时监测振幅的变化情况，并实时传输给计算中心，计算中心根据振幅变化情况，学习振幅变化规律，并生成振幅变化梯度，得到振幅变化曲线图，并根据振幅变化曲线图生成能量补偿方案，并按照能量补偿方案控制振幅控制装置对振幅进行补偿。振幅在波腹处最大值开始衰减时，衰减的程度和速度是最小的，这时候需要补偿的能量比较小，在波节处，振幅衰减的程度和速度最大，需要的补偿的能量也最大，因此，能量补偿与振幅衰减的方向一致且成正比，例如在振幅有稍微衰减时，需要补偿的能量很小，随着振幅衰减增大，能量补偿也会成比例增大。具体地，在无外界干涉的情况下，振幅随时间变化关系为

A=A0×e^(-zt)×cos(wt+φ) （1）

其中，A表示实际振幅，A0表示最大振幅，z表示阻尼系数，t表示时间，w表示角频率，φ表示初相位。在振幅变化的同时，进行能量补偿，振幅随时间的变化规律则不再是上述关系。但是，尽管振幅是在持续变化的且不再遵循上述公式（1），但是不管振幅的变化规律是怎么样的，在任一时刻，需补偿的能量与振幅的衰减程度始终成正比，振幅的实际值与最大振幅的差距就是振幅衰减的程度，因此，可得能量补偿的计算公式，

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。K和b的确定通过计算机在振幅维持在A0时采集的一系列在不同振幅时对应的能量值所确定。

要根据实际测量得到谐振子的振幅，需要借助基座电极检测和图像检测，为了方便图像检测装置识别到谐振子的形变信息，在谐振子设置颜色鲜艳的标记，提高图像获取装置的识别能力。图像获取装置将获取到的谐振子图像传输至计算中心，计算中心得到谐振子振幅图像的动态变化图像或视频，并将基座电极获取的电信号转化为振幅图像或视频，经过计算中心将二者的振幅图像或视频的每一帧振幅图像进行相似度计算，以确定能量补偿的必要性。实际中，也可以采取的传统的相似度算法，例如余弦相似度、哈希算法、直方图、互信息、均方误差（MSE）算法、SSIM结构相似性、特征匹配等，也可以采取深度学习算法，例如孪生网络、SimGNNGraph、kernel等。也可以通过计算中心计算（例如自学习）生成振幅随时间的变化曲线，对曲线进图像处理，对图像上每一点处的坐标值带入公式（2）生成能量补偿曲线，即能量补偿随时间的变化关系，形成能量补偿方案。

根据振幅的变化规律计算能量的补偿规律，计算中心对谐振子振幅变态变化图像或视频进行分析，计算谐振子在振幅变化时尤其是波腹处的变化方向和速度，并根据这一变化方向和速度制定能量补偿的方向和能量值，从而形成能量补偿方案，并按照能量补偿方案持续对谐振子进行能量补偿，直到谐振子保持在稳定的振幅A0上振动。

应尽量在振幅衰减之前就进行振幅补偿，充分掌握振幅的变化规律和趋势，从而在振幅衰减来临之前准确的进行能量补偿，并且因为这是一种预判，故对判断的准确性要求很高，现有振幅控制只依赖于基座电极检测振幅并根据检测的振幅结果进行施力补偿，为了进一步提高振幅判断的可靠性，本实施例在现有的基座电极检测的基础上，增加了图像获取装置，与基座电极检测双管齐下，互相印证，保证振幅判断的准确性和可靠性。

另外，本实施例半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统的具体控制方法包括以下步骤：

基座电极和图像获取装置检测谐振子振幅，并将振幅信息传输至计算中心；

计算中心对振幅信息进行分析判断并确定能量补偿方案；

计算中心控制振幅控制装置对谐振子进行能量补偿。

计算中心分别分析基座电极和图像获取装置检测到的谐振子振幅，得到振幅的变化规律和趋势，并根据所述变化规律和趋势确定能量补偿方案。将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标，/>为两个特征向量之间的偏移量， />为特征向量1的相关系数， />为特征向量2的相关系数。

进一步地，所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。

所述振幅的变化规律为振幅变化梯度，所述能量补偿方案包括能量补偿梯度，所述能量补偿梯度与所述振幅变化梯度方向一致且成正比。理论上讲，由于阻尼的存在，振幅从起振那一刻起，每时每刻都在衰减，只是在衰减幅度没超过检测基线或在可接受的范围之内时，认为是没有衰减的，并且振幅是逐渐衰减的，本发明在谐振子起振即开始对振幅的监测，由于现有的基座电极是安装在基座上，与谐振子存在一定距离，由于各部件制作工艺误差、安装误差，都会给基座电极检测振幅带来误差，并且谐振子和基座电极本身就存在一定的物理空间等因素限制，只能到振幅衰减达到一定程度才会检测到，前期的振幅衰减检测不到，只能在检测到振幅并且检测到衰减后才开始进行计算、控制、施力、补偿。本发明采用图像识别技术监测谐振子振幅的变化情况，而不受物理限制，无论谐振子振幅多大都可监测到，用图像识别技术对基座电极监测进行补充监测，通过将二者监测结果相互印证后进行振幅确认，并对不同振幅施以不同值的能量补偿，形成能量补偿方案。而且这样可以从起振开始，计算中心就可根据图像获取装置监测到的振幅变化情况对振幅进行相应的补偿，从更精细的角度控制振幅。等到振幅衰减到一定程度时，基座电极检测的电信号与图像识别技术共同协同监测振幅变化，两方面的信息综合利用更有利于振幅的可靠控制，减少误检和误操作。

计算中心分别分析基座电极和图像获取装置检测到的谐振子振幅，得到振幅的变化规律和趋势，并根据所述变化规律和趋势确定能量补偿方案。

所述振幅变化规律为振幅随时间变化关系，所述能量补偿方案包括能量随时间变化关系，所述能量随时间变化关系与所述振幅随时间变化关系呈正相关。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，包括振幅检测装置、计算中心、振幅控制装置，其特征在于，所述振幅检测装置检测到的振幅信号包括电信号和图像信号，所述计算中心可根据所述振幅检测装置检测到的振幅信号得到谐振子的振幅变化规律和趋势，并控制所述振幅控制装置进行能量补偿。

2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，所述振幅检测装置包括：

基座电极，用于通过电信号检测谐振子的振幅，和图像获取装置，用于通过图像获取谐振子的形变信息，进而获得谐振子振幅图像；所述计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案。

3.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，所述计算中心同时根据所述基座电极和所述图像获取装置检测的振幅信息进行综合分析判断谐振子的振幅变化规律和变化趋势，得到能量与振幅的关系，生成能量补偿方案包括：将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标，/>为两个特征向量之间的偏移量，/>为特征向量1的相关系数，/>为特征向量2的相关系数。

5.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。

6.根据权利要求5所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，所述谐振子上设有标记，用于在谐振子振动时辅助获取谐振子形变信息。

7.一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制方法，基于权利要求1至6任意一项所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

基座电极和图像获取装置检测谐振子振幅，并将振幅信息传输至计算中心；

计算中心对振幅信息进行分析判断并确定能量补偿方案；

计算中心控制振幅控制装置对谐振子进行能量补偿。

8.根据权利要求7所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制方法，其特征在于，将基座电极获取的电信号转化为振幅图像Ⅰ，将通过图像获取装置获得的图像信号转化为振幅图像Ⅱ，将每一帧的振幅图像Ⅱ和振幅图像Ⅰ转化为特征向量后进行相似度计算，当所述相似度超过预设阈值时，所述计算中心将此时的振幅值输入振幅能量计算模块，振幅能量计算模块根据振幅进行能量补偿计算，得到不同振幅下的能量补偿值，形成能量补偿方案。

9.根据权利要求8所述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制方法，其特征在于，所述相似度计算公式如下：

其中，X为特征向量1和特征向量2之间的匹配相关系数，系数越大表示相似性越大，a为模板中特征向量的坐标，/>为两个特征向量之间的偏移量，/>为特征向量1的相关系数，/>为特征向量2的相关系数。

10.根据权利要求9述的一种半球谐振陀螺的半球谐振子振动幅值控制方法，其特征在于，所述振幅能量计算模块通过以下公式计算能量补偿值：

Q=K（A0-A）+b

其中，Q为能量补偿值，K为补偿系数，A为实际振幅，A0表示最大振幅，b为修正因子。