CN117824708A - 半球谐振陀螺检测误差在线标定方法 - Google Patents

半球谐振陀螺检测误差在线标定方法 Download PDF

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CN117824708A CN202410006380.3A CN202410006380A CN117824708A CN 117824708 A CN117824708 A CN 117824708A CN 202410006380 A CN202410006380 A CN 202410006380A CN 117824708 A CN117824708 A CN 117824708A
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Abstract

半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，属于惯性技术领域。本发明解决了传统对半球谐振陀螺的检测误差标定是离线进行的，无法克服外界因素对半球谐振陀螺影响，无法对半球谐振陀螺检测回路中X/Y通道增益误差以及失准角实时补偿的问题。本发明利用锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs分别对预处理后的半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号实时进行解调，得到Cx、Cy、Sx和Sy；利用X/Y通道增益比值kyx和失准角α对Cx、Cy、Sx和Sy进行补偿，根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成X通道控制量和Y通道控制量，并将其分别施加在半球谐振陀螺X和Y通道激励电极，从而完成对半球谐振陀螺检测误差的在线自标定。主要用于对半球谐振陀螺在线标定。

Description

半球谐振陀螺检测误差在线标定方法
技术领域
本发明属于惯性技术领域。应用于半球谐振陀螺、圆柱壳体振动陀螺等轴对称振动陀螺的检测误差自标定。
背景技术
半球谐振陀螺是一种经典的哥氏振动陀螺仪，由于其具有高精度、长寿命、天然抗辐射等特点，成为海、陆、空、天领域中常用的一种陀螺仪。
半球谐振陀螺的核心元件为高品质因数的熔融石英构成，其被固定在电极基座上，镀膜后的谐振子与电极基座上的电极共同构成电容器，从而实现陀螺的控制和检测。然而受到谐振子装配水平、电极刻蚀误差、电路误差等因素的影响，会导致陀螺X/Y通道的检测增益不一致以及X/Y通道检测信号非正交，进而导致陀螺输出产生标度因数非线性。
目前对于检测通道的增益误差已经有一些在线补偿方法，例如CN 114964199“一种半球谐振陀螺电极增益自补偿系统及其实现方法”以及CN 112146637“一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统”，这些方法虽然能够实现对增益误差的在线辨识与补偿，但是没有解决检测回路中失准角的辨识与补偿。
而对于陀螺检测误差补偿方案多是基于离线标定的，例如CN114858191A“一种全角半球谐振陀螺检测电极误差标定方法”中所提出的检测误差辨识及补偿方法，其通过将陀螺固定在转台上，控制转台以不同转速转动不同角度来标定陀螺的增益误差以及失准角，并将其在检测回路中进行补偿。然而，随着环境温度的变化以及电子元件的老化会导致谐振子产生形变以及电路性能发生改变，进而影响到检测回路的增益误差和失准角，导致检测误差量与离线标定量产生误差，进一步使得陀螺的性能产生下降。因此传统的离线标定方法无法克服外界因素的影响，迫切需要采用一种检测误差在线标定方法来满足陀螺在变温环境下长期稳定工作的需求。
发明内容
本发明目的是为了解决传统对半球谐振陀螺的检测误差标定是离线进行的，无法克服外界因素对半球谐振陀螺影响，无法对半球谐振陀螺检测回路中X/Y通道增益误差以及失准角实时补偿的问题，本发明提供了一种半球谐振陀螺检测误差在线标定方法。
半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，该标定方法包括：
半球谐振陀螺上电启动，利用锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs分别对预处理后的半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号实时进行解调，得到X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy；
利用X/Y通道增益比值kyx和失准角α对Cx、Cy、Sx和Sy进行补偿，根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成X通道控制量和Y通道控制量，并将其分别施加在半球谐振陀螺X和Y通道激励电极，从而完成对半球谐振陀螺检测误差的在线自标定；
每达到预设时间间隔对X/Y通道增益比值kyx和失准角α进行更新，更新方式为：根据预设时间间隔所对应时段内的Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy值，估计X/Y通道增益比值kyx；同时还根据预设时间间隔所对应时段内Cx的最大值和Cy取最大值时Cx的值，估计失准角α。
优选的是，半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号分别为：
其中，x为X通道所检测到的振动信号，y为Y通道所检测到的振动信号，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角。
优选的是，估计X/Y通道增益比值kyx的实现方式包括：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy由负到正过零时的Cx的值，此时
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx由正到负过零时的Cy的值，此时
根据Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy的值，估计出X/Y通道增益比值kyx，其中，
其中，ky为Y通道的检测增益，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，为锁相偏差。
优选的是，估计失准角α的实现方式为：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx的最大值
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy取最大值时Cx的值
其中，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，为锁相偏差；
根据Cx-max和Cx-1，得到失准角
优选的是，生成X通道控制量和Y通道控制量的实现方式为：
根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成陀螺幅值控制量E、正交控制量Q和锁相环控制量L；
利用锁相环控制量L对锁相环的锁相偏差进行调整，进而产生同频同相的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs；
对陀螺幅值控制量E和正交控制量Q进行PI调节，得到调节后陀螺幅值控制量Eout和正交控制量Qout；
利用Vc和Vs，对Eout、Qout和W进行处理，得到幅值控制电压VE、正交控制电压VQ与虚拟进动控制电压VW；W为给定虚拟进动控制量；
对VE、VQ、VW向X/Y模态进行投影，得到X通道控制量Vx和Y通道控制量Vy；其中，
θ为主驻波的方位角。
优选的是，VE＝EoutVs,VQ＝QoutVc,VW＝WVs。
优选的是，
E＝Cx 2+Sx 2+Cy 2+Sy 2
＝kx 2(a2cos22θ+q2sin22θ)+ky 2[a2sin2(2θ-2α)+q2cos2(2θ-2α)]；
其中，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
优选的是，锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs的实现方式为：
根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成锁相环控制量L；
利用锁相环控制量L对锁相环的锁相偏差进行调整，进而产生同频同相的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs。
优选的是，对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号进行预处理的实现方式为：
对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号先进行放大，再进行模数转换。
优选的是，解调得到的X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy的表达式为：
其中，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
本发明的优点：
本发明半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，可以以预设时间间隔在线对半球谐振陀螺进行检测误差的在线自标定，克服外界的环境温度的变化以及电子元件老化会对半球谐振陀检测误差螺影响，解决了陀螺检测误差由于外界因素影响难以实时标定的问题，提高了半球谐振陀螺检测回路在变温环境下长时间运行的稳定性。
相较于现有技术中采用离线程序对检测通道的增益误差和失准角进行辨识，本发明所提出的方法能够在陀螺稳定工作的过程中实现检测误差实时自标定，能够有效消除环境温度变化以及元器件老化对陀螺检测回路性能的影响。本发明方法显著提高了半球谐振陀螺检测回路在变温环境下长时间运行的稳定性，并且在测试过程中不需要使用转台、上位机等外部检测设备。只需使用半球谐振陀螺配套控制电路即可实现自标定过程，因此该方法的实用性强、应用面广。
附图说明
图1是本发明所述半球谐振陀螺检测误差在线标定方法的原理图。
图2是对X/Y通道增益比值kyx和失准角α进行更新的流程图。
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他实施例，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。
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，该标定方法包括:
半球谐振陀螺上电启动，利用锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs分别对预处理后的半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号实时进行解调，得到X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy；
利用X/Y通道增益比值kyx和失准角α对Cx、Cy、Sx和Sy进行补偿，根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成X通道控制量和Y通道控制量，并将其分别施加在半球谐振陀螺X和Y通道激励电极，从而完成对半球谐振陀螺检测误差的在线自标定；
每达到预设时间间隔对X/Y通道增益比值kyx和失准角α进行更新，更新方式为：根据预设时间间隔所对应时段内的Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy值，估计X/Y通道增益比值kyx；同时还根据预设时间间隔所对应时段内Cx的最大值和Cy取最大值时Cx的值，估计失准角α。
具体的，参见图2，可采用检测误差估计模块对kyx和α进行更新，通过检测误差补偿模块对Cx、Cy、Sx和Sy进行补偿。
更进一步的，对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号进行预处理实现方式，可通过前置缓冲放大电路对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号先进行放大后，再通过模数转换器进行模数转换。
其中，半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号分别为：
其中，x为X通道所检测到的振动信号，y为Y通道所检测到的振动信号，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角。
更进一步的，解调得到的X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy的表达式为：
其中，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
更进一步的，估计X/Y通道增益比值kyx的实现方式包括：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy由负到正过零时的Cx的值，此时
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx由正到负过零时的Cy的值，此时
根据Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy的值，估计出X/Y通道增益比值kyx，其中，
其中，ky为Y通道的检测增益，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，为锁相偏差。
更进一步的，估计失准角α的实现方式为：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx的最大值Cx-max，此时，Cx的最大值
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy取最大值时Cx的值Cx-1，此时主驻波的方位角θ＝(45+α)°，
其中，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，为锁相偏差，也即相位偏差；
根据Cx-max和Cx-1，得到失准角
更进一步的，生成X通道控制量和Y通道控制量的实现方式为：
根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成陀螺幅值控制量E、正交控制量Q和锁相环控制量L；具体的，
E＝Cx 2+Sx 2+Cy 2+Sy 2
＝kx 2(a2cos22θ+q2sin22θ)+ky 2[a2sin2(2θ-2α)+q2cos2(2θ-2α)]；
其中，x为X通道所检测到的振动信号，y为Y通道所检测到的振动信号，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
利用锁相环控制量L对锁相环的锁相偏差进行调整，进而产生同频同相的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs；对陀螺幅值控制量E和正交控制量Q进行PI调节，得到调节后陀螺幅值控制量Eout和正交控制量Qout；
利用Vc和Vs，对Eout、Qout和W进行处理，得到幅值控制电压VE、正交控制电压VQ与虚拟进动控制电压VW；W为给定虚拟进动控制量；
其中，VE＝EoutVs,VQ＝QoutVc,VW＝WVs；
对VE、VQ、VW向X/Y模态进行投影，得到X通道控制量Vx和Y通道控制量Vy；其中，
本优选实施方式中，E作为控制陀螺幅值的控制量，使谐振子的振动幅值保持在目标值，即a为常值；Q作为正交控制的控制量，使谐振子的正交波波腹维持在0，即q＝0；L作为锁相环控制量，使参考信号与振动信号之间的相位差为0，即
具体实施方式二：半球谐振陀螺检测误差在线自标定系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现如半球谐振陀螺检测误差在线自标定系统。
验证试验：
步骤1，改变半球谐振陀螺的检测增益和失准角以模拟环境变化对检测误差参数的影响，其中kx＝5.015V/um，ky＝5V/um，α＝0.28°。
步骤2，陀螺上电启动，利用锁相环生成的参考信号Vc和Vs分别对X/Y通道的检测信号进行解调，得到Cx、Cy、Sx、Sy，在进行二次组合得到陀螺控制参数E、Q、L。利用E作为陀螺幅值控制的控制量，使谐振子的振动幅值维持在1um，即E＝25V；Q作为正交控制的控制量，使谐振子的正交波波腹维持在0，即q＝0；L作为锁相环控制量，使参考信号与振动信号之间的相位差为0，即并利用虚拟进动回路控制驻波以3°/s的转速进行旋转。
步骤3，半球谐振陀螺上电后以5min为间隔开始执行X/Y通道增益比值kyx和失准角α进行更新；
步骤4，记录Cx过零点时Cy的大小，以及Cy过零点时Cx的大小，估计X/Y通道增益比值kyx；
在控制中使用虚拟进动使得谐振子在没有输入角速率的情况下以恒定的转速进行转动。由于陀螺幅值控制、正交控制以及锁相环的作用，导致Cx、Cy中的正交波幅值q与相位差的乘积为小量，此时可将Cx、Cy重写为：
进一步的，利用仿真模型中慢变量信号对所述的电极增益误差ky/kx进行估计，具体过程如下：
S41：记录仿真模型慢变量信号Cx过零点时Cy的大小。
当Cx过零点时，此时Cy的大小为Cy＝5.0134。
S42：记录仿真模型慢变量Cy过零点时Cx的大小。
当Cy过零点时，此时Cx的大小为Cx＝-4.9979。
S43：利用S41和S42中得到的参数Cy和参数Cx进一步得到X/Y通道增益比值kyx：
步骤5，记录慢变量信号Cx的最大值，以及Cy最大时Cx的大小，估计失准角α；
S51：记录慢变量信号Cx的最大值Cx-max＝4.9987。
S52：当慢变量信号Cy取最大值时Cx的值Cx-1＝-0.0489。
S53:利用S51和S52中得到的参数Cx-max和参数Cx-1进一步得到X/Y检测通道的失准角α：
通过校准结果可以看出增益误差以及失准角的辨识结果非常接近设定值，相对误差在1％以内，证明该方法有很高的标定精度。
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他所述实施例中。

Claims (10)

1.半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，该标定方法包括：
半球谐振陀螺上电启动，利用锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs分别对预处理后的半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号实时进行解调，得到X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy；
利用X/Y通道增益比值kyx和失准角α对Cx、Cy、Sx和Sy进行补偿，根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成X通道控制量和Y通道控制量，并将其分别施加在半球谐振陀螺X和Y通道激励电极，从而完成对半球谐振陀螺检测误差的在线自标定；
每达到预设时间间隔对X/Y通道增益比值kyx和失准角α进行更新，更新方式为：根据预设时间间隔所对应时段内的Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy值，估计X/Y通道增益比值kyx；同时还根据预设时间间隔所对应时段内Cx的最大值和Cy取最大值时Cx的值，估计失准角α。
2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号分别为：
其中，x为X通道所检测到的振动信号，y为Y通道所检测到的振动信号，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角。
3.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，估计X/Y通道增益比值kyx的实现方式包括：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy由负到正过零时的Cx的值，此时
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx由正到负过零时的Cy的值，此时
根据Cy由负到正过零时的Cx的值和Cx由正到负过零时的Cy的值，估计出X/Y通道增益比值kyx，其中，
其中，ky为Y通道的检测增益，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，为锁相偏差。
4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，估计失准角α的实现方式为：
在预设时间间隔所对应时段内记录Cx的最大值
在预设时间间隔所对应时段内记录Cy取最大值时Cx的值其中，kx为X通道的检测增益，a为主驻波的幅值，/>为锁相偏差；
根据Cx-max和Cx-1，得到失准角
5.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，生成X通道控制量和Y通道控制量的实现方式为：
根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成陀螺幅值控制量E、正交控制量Q和锁相环控制量L；
利用锁相环控制量L对锁相环的锁相偏差进行调整，进而产生同频同相的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs；
对陀螺幅值控制量E和正交控制量Q进行PI调节，得到调节后陀螺幅值控制量Eout和正交控制量Qout；
利用Vc和Vs，对Eout、Qout和W进行处理，得到幅值控制电压VE、正交控制电压VQ与虚拟进动控制电压VW；W为给定虚拟进动控制量；
对VE、VQ、VW向X/Y模态进行投影，得到X通道控制量Vx和Y通道控制量Vy；其中，
θ为主驻波的方位角。
6.根据权利要求5所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，VE＝EoutVs,VQ＝QoutVc,VW＝WVs。
7.根据权利要求5所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，
E＝Cx 2+Sx 2+Cy 2+Sy 2
＝kx 2(a2cos22θ+q2sin22θ)+ky 2[a2sin2(2θ-2α)+q2cos2(2θ-2α)]；
其中，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
8.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，锁相环生成的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs的实现方式为：
根据补偿后的Cx、Cy、Sx和Sy生成锁相环控制量L；
利用锁相环控制量L对锁相环的锁相偏差进行调整，进而产生同频同相的余弦参考信号Vc和正弦参考信号Vs。
9.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号进行预处理的实现方式为：
对半球谐振陀螺的X和Y通道检测的振动信号先进行放大，再进行模数转换。
10.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺检测误差在线标定方法，其特征在于，解调得到的X通道余弦信号Cx、Y通道余弦信号Cy、X通道正弦信号Sx和Y通道正弦信号Sy的表达式为：
其中，a为主驻波的幅值，q为正交波的幅值，ω是谐振子的振动频率，kx为X通道的检测增益，ky为Y通道的检测增益，t为时间，θ为主驻波的方位角，为锁相偏差。
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