CN117928605A - 一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法，涉及半球谐振陀螺技术领域。其中，该方法包括：获取驱动电路输出的驱动电压，并向正交控制回路输出预设周期的方波扰动信号；根据第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值和第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值，确定参考静电力幅值；根据方波扰动信号和参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度；基于谐振子的第一频率的驻波振动、谐振子的第二频率的驻波振动以及谐振子的第三频率的驻波振动分析半球谐振陀螺的残余正交量。本申请可以分析由于谐振子的品质因数及频率各项异性的分布情况的变化导致的正交控制的误差，从而为分析半球谐振陀螺的漂移问题做准备。
Description
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法。
背景技术
经典的陀螺是利用高速旋转的质量所具有的定轴性和进动性而制成的，依据主要原理是角动量守恒。这类陀螺在构造上存在转子和框架支承因而对陀螺造成各种附加误差。为了避免活动部件及机械摩擦导致的附加误差，新型的如光学陀螺、谐振陀螺和压电晶体陀螺应运而生。其中谐振陀螺以其独特的优点越来越受到人们的重视，半球谐振陀螺出现于20世纪60年代才出现的一种新型陀螺。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，半球谐振陀螺具有结构上无高速转子、无活动部件，不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力，且谐振子材料通常为石英玻璃，其稳定的物理特性使得它具有很高的可靠性和超长的寿命，高品质的石英谐振子具有高Q值的特点，即使驱动电极发生故障，高品质石英振子的半球谐振陀螺仍可保持20分钟以上的工作时间；同时石英玻璃具有本征抗辐射能力，所以半球谐振陀螺常用于空间航天器的定姿与导航以及军事导航中。
常温下，半球谐振陀螺工作在稳定振动状态时，谐振子以等频等幅的形式进行二阶谐振。然而当半球谐振陀螺的外界环境变化时，谐振子的品质因数及频率各项异性的分布情况将被改变，从而导致谐振子的数学模型发生变化，此时正交控制存在误差，其中幅值控制环节的控制误差将导致振动幅值出现波动。而正交控制误差的存在导致陀螺两检测通道间存在相位差，影响陀螺的检测精度。
基于此，提出一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法是非常有意义的。
发明内容
本发明目的在于提供一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法，以解决上述技术问题。
本申请提供了一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法，包括：获取驱动电路输出的驱动电压，并向正交控制回路输出预设周期的方波扰动信号；根据第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值和第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值，确定参考静电力幅值；根据上述方波扰动信号和上述参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度，使上述半球谐振陀螺的角速度在预设区间内变化；基于谐振子的第一频率的驻波振动、上述谐振子的第二频率的驻波振动以及上述谐振子的第三频率的驻波振动分析上述半球谐振陀螺的残余正交量，其中，上述第一频率的值、上述第二频率的值以及上述第三频率的值不同。
进一步地，上述参考静电力幅值可以基于以下表达式计算得到：
其中，F为上述参考静电力幅值，d为上述半球谐振陀螺的基座上上述第一检测电极与上述谐振子侧面的距离，为上述驱动电压，/>为上述第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值，/>为上述第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值。
进一步地，在上述方波扰动信号的生成时间小于2.5倍的上述预设周期的情况下，上述方波扰动信号为预设幅值；在上述方波扰动信号的生成时间大于或等于2.5倍的上述预设周期的情况下，上述方波扰动信号为0。
进一步地，上述第一检测电极和上述第二检测电极以180°为间隔分布安装于上述半球谐振陀螺的基座的水平方向上。
进一步地，上述驱动电压为200V的静电。
进一步地，上述残余正交量引起上述半球谐振陀螺的角速度相对于驻波方位角呈现余弦波动。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法可以在确定参考静电力幅值后，根据方波扰动信号和参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度，使半球谐振陀螺的角速度在预设区间内变化，以及基于谐振子的三个不同频率的驻波振动分析半球谐振陀螺的残余正交量，也即分析由于谐振子的品质因数及频率各项异性的分布情况的变化导致的正交控制的误差，从而为分析半球谐振陀螺的漂移问题做准备。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为根据本申请实施例的一种可选的半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
半球谐振陀螺是一种极具发展前景的新型高精度陀螺，其优点在于:体积小，精度高，功耗低，可靠性高，启动时间短，机械部件结构简单，工作温度范围大，抗电离辐射能力强，对线性过载不敏感，断电时稳定性好，制造半球谐振陀螺时可以实现自动化生产等，此外，半球谐振陀螺还具有较长的寿命，有关资料表明:半球谐振陀螺可以连续工作15年以上并保持所要求的性能，因此被公认为是最长寿命的陀螺。
在一些情况下，半球谐振陀螺工作在稳定振动状态时，谐振子以等频等幅的形式进行二阶谐振。然而当半球谐振陀螺的外界环境变化时，谐振子的品质因数及频率各项异性的分布情况将被改变，从而导致谐振子的数学模型发生变化，此时受到PI 控制参数的选取、控制器性能以及矢量合成方向的影响，这会导致幅值控制和正交控制存在误差，其中幅值控制环节的控制误差将导致振动幅值出现波动。谐振子生产制造过程受制于目前工艺的局限，谐振子的唇缘、半球壳表面、支撑杆会产生微小的裂纹。当谐振子振动时，裂纹的大小和分布情况还可能发生变化，影响陀螺的使用寿命。这些裂纹还会影响谐振子的刚度，并残留内应力；裂纹的分布不均匀从而残留的内应力分布不均匀，导致谐振子不同位置的刚度不一致和不同位置的阻尼的不一致。从而影响陀螺的检测精度。
可选地，作为一种可选的实施方式，如图1所示，本申请提供的半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法包括：
S101，获取驱动电路输出的驱动电压，并向正交控制回路输出预设周期的方波扰动信号；
S102，根据第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值和第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值，确定参考静电力幅值；
S103，根据方波扰动信号和参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度，使半球谐振陀螺的角速度在预设区间内变化，其中，预设区间为根据获取到的驱动电压确定的；
S104，基于谐振子的第一频率的驻波振动、谐振子的第二频率的驻波振动以及谐振子的第三频率的驻波振动分析半球谐振陀螺的残余正交量，其中，第一频率的值、第二频率的值以及第三频率的值不同。
可选地，在本申请的一些实施例中，由于存在正交控制误差，此时谐振子两模态的振动频率不一致，出现正交波，此时谐振子的振动形式可以表示为：
其中，半球谐振子的振动频率通常在4000Hz 以上，因此在一个周期内可认为其振幅是恒定的。
在本申请的一些实施例中，半球谐振陀螺残余正交量将引起角速率相对于驻波方位角呈现出余弦波动，且波动的幅值和相位与残余正交量、振动幅值、频率裂解及固有刚性轴密切相关，为减小正交控制误差所带来的影响可以在线性振动区间内尽可能的增大谐振子的振动幅值。由于残余正交量会引起半球谐振陀螺的驻波漂移，可以分析在正交控制存在误差时半球谐振子驻波的漂移速率。可以根据方波扰动信号和参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度，在不同的参考静电力幅值下，半球谐振陀螺的角速度会发生变化。可以通过半球谐振陀螺的角速度于残余正交量的关系来分析角度漂移现象。当存在正交控制误差时，输入角速率过小可能会引起陀螺的自锁现象；若输入角速率过大会引起陀螺输出角度和角速率产生周期性的波动，影响陀螺的工作性能。
在本申请的一些实施例中，由于半球谐振子的加工误差会导致半球谐振陀螺产生频率裂解以及能量耗散。其中，频率裂解会导致驻波被分解为多个频率（例如，三种不同的频率）各异的驻波振动和的形式，而能量耗散会导致驻波被约束在质量缺陷不同谐波的方位角上。谐振子膜层厚度、表面损伤以及表面粗糙度等因素都会对谐振子的品质因数造成影响，进一步使得谐振子周向品质因数不均匀，导致陀螺产生同向漂移并出现自锁现象。基于此，可以根据于谐振子的第一频率的驻波振动、谐振子的第二频率的驻波振动以及谐振子的第三频率的驻波振动分析半球谐振陀螺的残余正交量。
可选地，作为一种可选的实施方式，参考静电力幅值可以基于以下表达式计算得到：
其中，F为参考静电力幅值，d为半球谐振陀螺的基座上第一检测电极与谐振子侧面的距离，为驱动电压，/>为第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值，/>为第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值。
可选地，作为一种可选的实施方式，在方波扰动信号的生成时间小于2.5倍的预设周期的情况下，方波扰动信号为预设幅值；
在方波扰动信号的生成时间大于或等于2.5倍的预设周期的情况下，方波扰动信号为0。
可选地，作为一种可选的实施方式，第一检测电极和第二检测电极以180°为间隔分布安装于半球谐振陀螺的基座的水平方向上。
不同角度的2个检测电极可以代表2个独立控制量。可以更精确地输出不同的静电力，从而更加稳定地维持谐振子的振动模态。具体来说可以根据如下静电力模型，实现精确地输出独立控制量。
其中，F c （1）表示第一检测电极的独立控制量；F c （2）表示第二检测电极的独立控制量。为实现半球谐振子的谐振频率的稳定，所示的各静电力独立控制量依据其所处的谐振子实际方位综合至x、y方向。依据矢量合成法则，谐振子x、y方向受到的静电合力F x 、F y 可表示为：
可选地，作为一种可选的实施方式，驱动电压为200V的静电。
可选地，作为一种可选的实施方式，残余正交量引起半球谐振陀螺的角速度相对于驻波方位角呈现余弦波动。
在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
需要说明的是，对于前述的各实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种半球谐振陀螺正交控制的误差分析方法，其特征在于，包括：
获取驱动电路输出的驱动电压，并向正交控制回路输出预设周期的方波扰动信号；
根据第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值和第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值，确定参考静电力幅值；
根据所述方波扰动信号和所述参考静电力幅值确定半球谐振陀螺的角速度，使所述半球谐振陀螺的角速度在预设区间内变化；
基于谐振子的第一频率的驻波振动、所述谐振子的第二频率的驻波振动以及所述谐振子的第三频率的驻波振动分析所述半球谐振陀螺的残余正交量，其中，所述第一频率的值、所述第二频率的值以及所述第三频率的值不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述参考静电力幅值可以基于以下表达式计算得到：
其中，F为所述参考静电力幅值，d为所述半球谐振陀螺的基座上所述第一检测电极与所述谐振子侧面的距离，为所述驱动电压，/>为所述第一检测电极产生的相位正交的静电力幅值，/>为所述第二检测电极产生的相位正交的静电力幅值。
3.根据权利要求1所述的方法，
在所述方波扰动信号的生成时间小于2.5倍的所述预设周期的情况下，所述方波扰动信号为预设幅值；
在所述方波扰动信号的生成时间大于或等于2.5倍的所述预设周期的情况下，所述方波扰动信号为0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一检测电极和所述第二检测电极以180°为间隔分布安装于所述半球谐振陀螺的基座的水平方向上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述驱动电压为200V的静电。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述残余正交量引起所述半球谐振陀螺的角速度相对于驻波方位角呈现余弦波动。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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