一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法技术

本发明专利技术涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法。本发明专利技术的目的在于克服现有半球谐振陀螺的两种工作模式即力平衡模式和全角模式都有其各自的缺陷，从而使得半球谐振陀螺的应用受限的问题。本发明专利技术提供了一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性，同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在力平衡状态，具有高精度。即，使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的优点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求，从而解决上述问题。决上述问题。决上述问题。

【技术实现步骤摘要】
一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法


[0001]本专利技术涉及半球谐振陀螺
，具体涉及一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope，简称HRG)是一种新型惯导级固体陀螺，起源于G.H.Byran驻波进动效应，它利用振动驻波进动效应来敏感测量载体的运动，即相对驻波转动角与环转动的角成正比。
[0003]半球谐振陀螺由三部分组成：激励罩、谐振子和读出基座，如图1所示。
[0004]谐振子上下均有芯轴，且内外分别镀有金属导电层，激励罩和读出基座也进行了表面金属化处理，并采用激光分割工艺形成特定的电极图形。上下芯轴分别与激励罩和读出基座焊接在一起，同时，读出基座和激励罩扣合后也焊在一起，三个石英部件形成一个全固态的整体结构，并装入金属密封的壳体中，读出电极和激励电极通过引线引出，最后抽真空密封。
[0005]半球谐振子在静电力的作用下受激产生驻波振动，其振动是一个四波幅振动，驻波由四个波腹和四个波节点组成。当基座不旋转的时候，波腹和波节的位置保持不变，当基座旋转时，驻波就要发生进动，进动角为旋转角的30％。检测出驻波的进动角，就可计算出基座的实际旋转角度和角速度(图2)。
[0006]半球谐振陀螺仪由表头和控制电路组成。表头结构简单，由半球谐振子、激励罩和读出基座等组成，可靠性高、体积小、重量轻、功耗小。控制电路主要有正交控制、幅度控住和速率控制，控制陀螺的起振、工作、稳定和输出，其原理如图3。
[0007]半球谐振陀螺仪主要特点是“二高二长”：高可靠性、高精度、长寿命、长稳定期。
[0008]半球谐振陀螺仪没有高速旋转的转子及相应的支承系统，寿命长。
[0009]半球谐振陀螺仪三部分均采用熔融石英材料整体加工而成，稳定性好、稳定期长。
[0010]半球谐振陀螺仪采取波峰波腹高量信号检测，测量精度高。
[0011]半球谐振陀螺仪能较好克服目前惯性仪表存在寿命短、稳定期短、可靠性低技术难题，为研制新型惯导系统提供了新的技术途径。
[0012]半球谐振陀螺有两种工作模式，即力平衡模式(Force To Rebalance Mode，简称FTR)和全角模式(Whole Angle Mode，简称WA)，其特点如图4所示。
[0013]在无角速度输入时，陀螺谐振子驻波进动角相对于谐振子位置保持不变。当外界(载体)有角速率输入时，陀螺谐振子的驻波进动角相对于壳体会产生进动。在力平衡模式下，控制电极会施加反馈力，抑制谐振子驻波进动，根据所施加反馈力的大小，来解算出输入角速率的大小。力平衡模式半球谐振陀螺精度高，目前优于0.005
°
/h。但受控制力限制的影响，测量范围和带宽等动态指标很小，通常测量范围≤20
°
/s，带宽≤10Hz，无法满足载体弹载大动态的需求。
[0014]全角模式下，陀螺无控制电极施加反馈力，谐振子驻波进动角将随载体运转并按
固定比例系数发生进动。该工作模式下驻波进动角随外界发生自由进动，测量动态不受平衡力和控制电路特性限制，理论上测量范围和带宽等动态指标无限制；开环测量直接获取转动角度，比例系数不受电路、控制和施力器精度和非线性的影响。但是，由于加工制造精度的限制，半球陀螺谐振子的半径、密度、阻尼等参数存在周向不均匀性，各参数的四次谐波将导致半球陀螺存在周向漂移，且漂移沿周向呈正弦分布，因此其精度较差，目前约为0.01
°
/h，离实际应用指标相差甚远，精度不能满足载体弹载高机动的要求。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的在于克服现有半球谐振陀螺的两种工作模式即力平衡模式和全角模式都有其各自的缺陷，从而使得半球谐振陀螺的应用受限的问题。
[0016]为达到上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：
[0017]提供一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性，同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在力平衡状态，具有高精度。即，使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的优点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求，从而解决上述问题。具体步骤如下：
[0018]一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]S1.通过全角工作模式，使谐振子驻波进动角工作在周向最佳工作点θ0；
[0020]S2.将工作模式切换为改进型力平衡模式，将半球谐振陀螺内部力反馈回路断开，将原本用于陀螺力平衡控制的反馈信号输出给惯性平台系统，利用惯性平台的伺服控制稳定回路，使电机带动框架进动，最终使惯性平台台体及安装在台体上半球谐振陀螺基座产生反向运动，使谐振子驻波进动角始终工作在最佳工作点θ0；
[0021]S3.通过半球谐振陀螺动力学方程解析平台框架角速率Ω
p
，计算得到载体输入角速率Ω。
[0022]进一步的，步骤S1中，所述周向最佳工作点θ0的选取方法为：
[0023]1)程序控制使驻波工作在不同位置；
[0024]3)测量每个工作点半球谐振陀螺零偏，选出零偏较小的点；
[0025]3)进一步测量这些零偏较小点的零偏稳定性，零偏稳定性最小的点即为最佳工作点θ0。
[0026]进一步的，步骤S2中，所述惯性平台系统稳定回路的具体步骤包括：当有载体输入角速率时，半球谐振陀螺进动，驻波进动角为θ，角度差Δθ＝θ
‑
θ0输入惯性平台系统，经惯性平台伺服回路工作，平台框架发生转动，使Δθ＝θ
‑
θ0＝0，其中平台框架角速率为Ω
p
。
[0027]进一步的，步骤S3中所述半球谐振陀螺动力学方程为：
[0028][0029]其中：为陀螺驻波进动角速率；阻尼不均匀常数ΔΩ
Q
、阻尼轴位置角度θ
Q
、布莱恩系数α由半球谐振陀螺材料、结构决定并给出。
[0030]进一步的，步骤S3具体包括：
[0031]由步骤S2得：θ＝θ0，
[0032]代入：
[0033]得：Ω＝Ω
p
+1/α{ΔΩ
Q
sin[2(θ0‑
θ
Q
)]}
[0034]则：通过解析平台框架角速率Ω
p
，即可计算得载体输入角速率Ω。
[0035]本专利技术的有益效果是：
[0036]本专利技术一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，使半球谐振陀螺工作在全角模式，具有较好的测量范围、带宽等动态特性；同时，利用惯性平台提供稳定基准，使驻波稳定在固定位置(即力平衡状态)，具有高精度。从而，半使半球谐振陀螺兼具力平衡和全角两种工作模式的特点，同时具有高精度、大动态的综合性能，满足载体弹载要求。
[0037]本专利技术一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.通过全角工作模式，使谐振子驻波进动角工作在周向最佳工作点θ0；S2.将工作模式切换为改进型力平衡模式，将半球谐振陀螺内部力反馈回路断开，将原本用于陀螺力平衡控制的反馈信号输出给惯性平台系统，利用惯性平台系统的伺服控制稳定回路，使电机带动框架进动，最终使惯性平台台体及安装在台体上半球谐振陀螺基座产生反向运动，使谐振子驻波进动角始终工作在最佳工作点θ0；S3.通过半球谐振陀螺动力学方程解析平台框架角速率Ω
p
，计算得到载体输入角速率Ω。2.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S1中，所述周向最佳工作点θ0的选取方法为：1)程序控制使驻波工作在不同位置；2)测量每个工作点半球谐振陀螺零偏，选出零偏较小的点；3)进一步测量这些零偏较小点的零偏稳定性，零偏稳定性最小的点即为最佳工作点θ0。3.根据权利要求1所述的一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法，其特征在于，步骤S2中，所述惯性平台系统稳定回路的具体步...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪立新，李灿，刘洁瑜，周小刚，李新三，吴宗收，张晨，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：