一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。本发明专利技术方法通过拟合计算并且实时补偿，能够有效的抑制阻尼不均匀带来的漂移误差，通过周期积分技术，能从根本上消除拟合补偿后环路中存在的比例因子误差和残留的正余弦误差，克服阻尼不均匀误差会带来强烈的角度依赖性的问题，从而可以提高陀螺的控制精度。本发明专利技术系统包括电容驱动与检测模块、AD数据采集模块、乘法相干解调模块、误差参量辨识模块、幅值相位控制回路模块、拟合计算模块、周期积分模块、驱动合成与控制模块以及DAC数模转换模块；本发明专利技术的技术方案解决了全角下半球谐振陀螺阻尼不均匀带来的漂移误差的技术问题。差的技术问题。差的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及惯性仪表控制
，具体而言，尤其涉及一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺的控制方式主要有两种：力平衡模式和全角模式。国内研究全角模式半球谐振陀螺相对较少，前人研究的大部分都是力平衡模式，对全角模式认识不够，理论与实验不系统不深入，存在诸多的问题还未能解决。目前，谐振子阻尼不均匀是半球谐振陀螺全角模式下首要的问题，由于全角模式下，驻波在圆周方向自由进动，阻尼不均匀误差会带来强烈的角度依赖性，且阻尼不均匀误差随驻波方位角呈周期性变化，极大影响了陀螺的工作性能，必须予以解决。
[0003]尽管国内外针对半球谐振陀螺在全角模式下阻尼不均匀误差补偿的问题开展了许多研究工作，但是还存在诸多问题：阻尼不均匀误差补偿手段太过单一，实时补偿性也不够好，多种误差因素耦合在一起会给补偿带来较大的困难，而且国际上核心内容公开较少。
[0004]目前，针对半球谐振陀螺在全角模式下的阻尼不均匀误差补偿的问题，美国密西根大学Najafi等人提出了一种“六力控制”的补偿方法，仿真结果表明，“六力控制”的补偿方法可以使陀螺仪的角度依赖漂移误差降低两个数量级以上，但是理论推导方面还不清晰,而且实验方面补偿效果不明显；莫斯科国立大学Dmitry I.Bugrov等提出了一种虚拟旋转的补偿控制方法，该方法可以解决角速度闭锁问题，但是对于补偿阻尼不均匀带来的角度漂移来讲，要求虚拟旋转的速度很高，另外会引入其他的耦合误差。

技术实现思路

[0005]根据上述提出全角下半球谐振陀螺阻尼不均匀带来的漂移误差的技术问题，而提供一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法及系统。本专利技术通过拟合计算并且实时补偿，能够有效的抑制阻尼不均匀带来的漂移误差，通过周期积分技术，能从根本上消除拟合补偿后环路中存在的比例因子误差和残留的正余弦误差，从而可以提高陀螺的控制精度。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，包括如下步骤：
[0008]S1、消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；
[0009]S2、通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；
[0010]S3、采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；
[0011]S4、将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；
[0012]S5、根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；
[0013]S6、基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；
[0014]S7、计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ
τ
参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；
[0015]S8、消除比例因子误差Δ
SF
和残留的正余弦误差Ω
b
，将误差在整个周期上进行积分消除；
[0016]S9、将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；
[0017]S10、将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。
[0018]进一步地，所述步骤S2中：
[0019]所述驱动电极包括0
°
驱动电极和45
°
驱动电极，用于为谐振子振动提供所需要的能量；
[0020]所述检测电极包括90
°
检测电极和135
°
检测电极，用于测量半球谐振子进动角的变化。
[0021]进一步地，所述步骤S4的具体实现过程如下：
[0022]S41、假设90
°
检测电极和135
°
检测电极检测出的信号分别为x和y，假设两个解调参考信号分别为V
c
和V
s
；
[0023]S42、将两个检测电极出来的信号x和y与同频同相的两个解调参考信号V
c
和V
s
进行乘法解调，如下：
[0024]V
c
＝2
×
cos(ωt+φ)
[0025]V
s
＝2
×
sin(ωt+φ)
[0026]C
x
＝LPF(V
c
×
x)
[0027]C
y
＝LPF(V
c
×
y)
[0028]S
x
＝LPF(V
s
×
x)
[0029]S
y
＝LPF(V
s
×
y)
[0030]其中，ω表示谐振频率，φ表示解调参考信号与真实谐振信号的相位差，根据上式得到四个慢变信号C
x
、C
y
、S
x
、S
y
。
[0031]进一步地，所述步骤S5的具体实现过程如下：
[0032]S51、将步骤S42中得到的四个慢变信号C
x
、C
y
、S
x
、S
y
进行组合运算，计算得到5个谐振振动状态量E、Q、S、R、L，计算公式如下：
[0033][0034]Q＝2(C
x
S
y
‑
C
y
S
x
)
[0035]S＝2(C
x
C
y
+S
x
S
y
)
[0036][0037]L＝2(C
x
S
x
+C
y
S
y
)
[0038]其中，E表示谐振振型的能量，Q表示波节点振幅，S和R表示进动角函数，L表示频率控制变量；
[0039]S52、计算进动角θ：
[0040][0041]S53、计算参考信号与真实谐振信号的相位差φ：
[0042][0043]S54、将谐振振型的能量E、波节点振幅Q以及参考信号与真实谐振信号的相位差φ分别作为幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路的输入，并分别与相对应的预设值相减得到误差项。
[0044]进一步地，所述步骤S6的具体实现过程如下：
[0045]所述锁相环控制回路将相位差φ抑制为0，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、消除激励半球谐振子起振时，电极产生的检测增益误差、角度偏差、驱动力增益误差以及角度偏差；S2、通过扫频信号施加激励电压到半球谐振子上，半球谐振子受激进入二阶四波腹振型谐振状态，将四对电极分为驱动电极和检测电极，实现交替切换半球谐振子的驱动电极工作于驱动状态以及检测电极工作于检测状态；S3、采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，作为检测电极的两个检测信号；S4、将检测电极的两个检测信号与解调参考信号进行乘法解调；S5、根据陀螺的振型状态辨识幅值控制、正交控制、锁相环控制的误差参数以及进动角θ；S6、基于幅值控制回路、正交控制回路、锁相环控制回路，将误差参量维持在允许误差范围内；S7、计算补偿力数值，根据幅值控制回路方程拟合出Δ(1/τ)和θ
τ
参量及驻波进动误差方程解算出补偿力，并对补偿力进行实时更新；S8、消除比例因子误差Δ
SF
和残留的正余弦误差Ω
b
，将误差在整个周期上进行积分消除；S9、将维持在允许误差范围内的误差参数调制合成驱动电极上的驱动信号；S10、将驱动信号的数字量转换为模拟量，合成的直流和交流电压经过高压放大部分后直接施加到施力电极上，产生的静电力对半球谐振陀螺谐振子进行驱动控制。2.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：所述驱动电极包括0
°
驱动电极和45
°
驱动电极，用于为谐振子振动提供所需要的能量；所述检测电极包括90
°
检测电极和135
°
检测电极，用于测量半球谐振子进动角的变化。3.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S4的具体实现过程如下：S41、假设90
°
检测电极和135
°
检测电极检测出的信号分别为x和y，假设两个解调参考信号分别为V
c
和V
s
；S42、将两个检测电极出来的信号x和y与同频同相的两个解调参考信号V
c
和V
s
进行乘法解调，如下：V
c
＝2
×
cos(ωt+φ)V
s
＝2
×
sin(ωt+φ)C
x
＝LPF(V
c
×
x)C
y
＝LPF(V
c
×
y)S
x
＝LPF(V
s
×
x)S
y
＝LPF(V
s
×
y)其中，ω表示谐振频率，φ表示解调参考信号与真实谐振信号的相位差，根据上式得到四个慢变信号C
x
、C
y
、S
x
、S
y
。4.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S5的具体实现过程如下：
S51、将步骤S42中得到的四个慢变信号C
x
、C
y
、S
x
、S
y
进行组合运算，计算得到5个谐振振动状态量E、Q、S、R、L，计算公式如下：E＝C
x2
+C
y2
+S
x2
+S
y2
Q＝2(C
x
S
y
‑
C
y
S
x
)S＝2(C
x
C
y
+S
x
S
y
)L＝2(C
x
S
x
+C
y
S
y
)其中，E表示谐振振型的能量，Q表示波节点振幅，S和R表示进动角函数，L表示频率控制变量；S52、计算进动角θ：S53、计算参考信号与真实谐振信号的相位差φ：S54、将谐振振型的能量E、波节点振幅Q以及参考信号与真实谐振信号的相位差φ分别作为幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路的输入，并分别与相对应的预设值相减得到误差项。5.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S6的具体实现过程如下：所述锁相环控制回路将相位差φ抑制为0，实现稳频；所述幅值控制回路将波幅点振幅控制到预设目标值，实现稳幅；所述正交控制回路将波节点振幅抑制为0。6.根据权利要求1所述的全角半球谐振陀螺阻尼不均匀的补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S7的具体实现过程如下：S71、通过转台主动旋转或通过向陀螺的控制电极施加一个虚拟旋转的力f
qs0
使其驻波进动；S72、通过幅值控制回路方程将E信号控制到目标常值E0，幅值控制回路方程如...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶泊，贾祥伟，曲天良，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：