一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法

1.本发明属于半球谐振陀螺校准技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法。


背景技术：

2.半球谐振陀螺仪是一种高精度、高可靠和长寿命的新型固态陀螺仪，它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。它具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，还特别具有独特的关机抗辐射能力。特别是预期寿命高达15年，是卫星或空间飞行器惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件，在空间应用领域具有独特的优势和广阔的前景。
3.由于对半球谐振陀螺处于全角模式的工作状态进行测试过程中，需要外部输入的角速度足够大(一般要求大于10
°
)，才能够有效激励半球谐振陀螺处于全角模式时内部的环向不均匀误差。但是，现有转台产生的角速度太小，难以满足上述的激励需求，导致半球谐振陀螺全角模式下测试精度低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，通过自激励方法为半球谐振陀螺全角模式下提供大动态范围输入激励信号，替代传统外部转台输入的信号，极大地促进了半球谐振陀螺全角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。
5.本发明采用以下技术方案：一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，包括以下步骤：
6.获取检测电极的x轴电压值和y轴电压值，并分别解算得到检测电极处谐振子的x轴第一位移值和y轴第一位移值；
7.基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号；
8.根据波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力；
9.基于x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值；
10.根据x轴第一位移值、y轴第一位移值、x轴第二位移值和y轴第二位移值对半球谐振陀螺进行校准。
11.进一步地，基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成进动角解算信号包括；
12.基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量sy、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量cy；
13.根据s
x
、sy、c
x
和cy计算得到第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
；
14.根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ。
15.进一步地，基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量sy、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量cy包括：
[0016][0017]
其中，x为x轴第一位移值，y为y轴第一位移值，vs为前一时刻的同相解调参考信号，vc前一时刻的正交解调参考信号，lpf()为半球谐振陀螺中的频率跟踪算法。
[0018]
进一步地，根据s
x
、sy、c
x
和cy计算得到第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
包括：
[0019][0020]
进一步地，根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ包括：
[0021][0022]
进一步地，根据波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力包括：
[0023][0024]
其中，f
x
为x轴驱动力，fy为y轴驱动力，fa为波腹轴信号e的幅值控制力慢变量，θ为进动角解算信号，ωr为前一时刻的参考频率，t为时间，fq为波节轴信号的正交控制力慢变量，k为谐振子振型的进动因子且为常量，ω为自定义输入角速度值，c
x
为x轴正交振幅慢变量，cy为y轴正交振幅慢变量。
[0025]
进一步地，基于x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值包括：
[0026][0027]
其中，为谐振子的震动阻尼，ω
x
为半球谐振陀螺大刚度轴对应的大刚度系数，ωy为半球谐振陀螺小刚度轴对应的小刚度系数，x
′
为x轴第二位移值，为x
′
对应的径向速度，为x
′
对应的径向加速度，y
′
为y轴第二位移值，为y
′
对应的径向速度，为y
′
对应的径向加速度。
[0028]
本发明的另一种技术方案：一种半球谐振陀螺平衡模式校准装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法。
[0029]
本发明的有益效果是：本发明通过施加外部激励电压信号来对半球谐振陀螺进行误差校准，将激励电压信号转换为x轴驱动力和y轴驱动力，在根据x轴驱动力和y轴驱动力生成位移值信号，最后根据初始位移值信号和生成位移值信号比较完成半球谐振陀螺的校准，促进了半球谐振陀螺全角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法的流程框图；
[0031]
图2为本发明实施例中半球谐振陀螺控制系统结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例中参考信号计算流程示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0034]
本发明公开了一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：获取检测电极的x轴电压值和y轴电压值，并分别解算得到检测电极处谐振子的x轴第一位移值和y轴第一位移值；基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号；根据波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力；基于x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值；根据x轴第一位移值、y轴第一位移值、x轴第二位移值和y轴第二位移值对半球谐振陀螺进行校准。
[0035]
本发明通过施加外部激励电压信号来对半球谐振陀螺进行误差校准，将激励电压信号转换为x轴驱动力和y轴驱动力，在根据x轴驱动力和y轴驱动力生成位移值信号，最后根据初始位移值信号和生成位移值信号比较完成半球谐振陀螺的校准，促进了半球谐振陀螺全角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。具体的，在本发明实施例中，x轴指的是驱动模态所在电极轴，y轴为检测模态所在电极轴。
[0036]
具体的，首先通过半球谐振陀螺的检测电极获取输入的电压信号，电压信号与位移信号具有一一对应关系，即实时采集谐振子的位移信号。在谐振子振动过程中，检测电极与谐振子表面之间的间距在实时变化，这就意味着平板电极的电容值一直在发生变化，根据公式和q＝cu可得在检测电极工作中电极板上电荷数始终保持不变，间距d可写为d＝d0+δd。其中，c指的是检测电极与谐振子内表面组成的平板电容值，ε是两板之间电介质的介电常量，s0是检测电极与谐振子内表面之间的正对面积，q0是极板间存在的电荷数。
[0037]
当间距d拉大时，输出电压也相应增大，反之则减小，二者为一次线性关系，因此通过读取的电压值可定量得到该检测轴处谐振子振动的位移信息。
[0038]
得到位移信息后，一是对检测电极提取的电压值进行数字电路编码，将模拟信号转换为数字信号，作为解调算法提供输入，解调算法的输出作为多pi控制算法和频率跟踪
算法输入，多pi控制算法和频率跟踪算法的输出作为调制算法的输入；二是信号经过调制算法后须完成数字信号向模拟信号转换过程，即产生作用于驱动电极的驱动电压。
[0039]
在解调算法执行过程中，两轴检测电极读取电压值与两个解调参考信号分别相乘后得到慢变量与二倍频信号相加耦合的四路混合信号，再分别通过滤波算法将二倍频信号从混合信号中滤除掉，即保留四路慢变量信号，即x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量sy、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量cy。
[0040]
在本发明实施例中，基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量sy、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量cy，具体实现公式如下：
[0041][0042]
其中，x为x轴第一位移值，y为y轴第一位移值，vs为前一时刻的同相解调参考信号，vc前一时刻的正交解调参考信号，lpf()为半球谐振陀螺中的频率跟踪算法。
[0043]
其次，通过组合运算算法将四路慢变量信号进行处理，具体实现公式如下：
[0044][0045]
其中，e为波腹轴信号，q为波节轴信号，和为两路频率信号，用来计算频差解算信号，即频差解算信号s
θ
和c
θ
为两路进动角信号，即根据s
x
、sy、c
x
和cy计算得到第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
，然后根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ。
[0046]
具体的，根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ包括：
[0047][0048]
进动角θ为驱动调制算法提供参考，同时输出至人机界面供实验者读取。
[0049]
同时，设置两个pi控制算法对解调算法的两路输出信号e、q进行处理，一是波腹幅值pi控制算法，将e保持为一定值同时生成幅值控制力慢变量fa，维持谐振子能量守恒；二是正交幅值pi控制算法，对q实施抑制同时生成正交控制力慢变量fq，保证谐振子工作过程中不受如典型的频率裂解误差引起的有害正交信号干扰。
[0050]
然后，如图3所示，使用鉴相器对和两信号相除再求反正切三角函数得到两个输入信号之间的相位差δω；其次通过环路滤波器中的pi控制算法对该相位差实施抑制同时生成参考频率信号；最后通过压控振荡器对参考频率信号实时积分得到参考实时相位信号，为解调算法和调制算法提供必要的参考信号。
[0051]
在本发明实施例中，由于hrg的输入驱动力应该是以谐振频率振荡的驱动信号，因此必须将控制电路提供的控制力有用部分通过锁相环提供的调制参考信号处理实时生成数字驱动信号，从而对hrg振型实施有效干预。具体过程为将该两路信号输入到驱动电压调制模块，描述半球谐振陀螺驱动电极上所需提供的控制力f
x
和fy。
[0052]
具体的，根据波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力包括：
[0053][0054]
其中，f
x
为x轴驱动力，fy为y轴驱动力，fa为波腹轴信号e的幅值控制力慢变量，θ为进动角解算信号，ωr为前一时刻的参考频率，t为时间，fq为波节轴信号的正交控制力慢变量，k为谐振子振型的进动因子且为常量，ω为自定义输入角速度值，c
x
为x轴正交振幅慢变量，cy为y轴正交振幅慢变量。
[0055]
半球谐振陀螺是一种通过哥氏力引起驻波进动的方式感受外部角度信息的哥式谐振陀螺，所以上式中引入了哥氏力矢量fk＝-m
·ak
＝-2m
·
ω
×
v，该式可以被作为全角工作模式下自激励哥氏电信号的启发公式，因此将其融入了公式4中，公式4中4kωcyωr和-4kωc
x
ωr两项为输入虚拟哥氏力自激励电信号，该式中fk是哥氏力矢量，m是驱动模态或检测模态的检测质量，ak是牵引加速度矢量，ω是半球谐振陀螺敏感轴感受到的外部输入角速度矢量，v是驱动模态或检测模态上谐振子径向速度矢量。
[0056]
由于半球谐振陀螺是一种哥式谐振陀螺，即固态波动陀螺，它是通过哥氏力引起驻波进动的方式感受外部角度信息，因此上式哥氏力计算公式可以更好地理解半球谐振陀螺的工作状况，尤其是在测试阶段通过外部高精度转台激励半球谐振陀螺以实现半球谐振陀螺内部隐藏的各种误差的显性化。
[0057]
根据和可得在驱动电极工作中电极板上初始电荷数为0，间距d
′
可写为d
′
＝d0′‑
δd，其中，驱动电极中的δd与检测电极中相等。实时驱动电压是由实时控制力有用部分和实时间距d
′
同时确定，因此控制力有用部分的平方根被一半谐振频率的参考信号调制后需再乘间距d
′
得到数字驱动信号v
x
和vy。由于陀螺激励电极施加静电力与电压的关系式为f＝k
fv2
，所以，数字驱动信号电压和静电力可以通过该式进行转换。
[0058]
当-fqsin(2θ)＝0且fqcos(2θ)＝0时，hrg两轴驱动力f
x
和fy变为：
[0059][0060]
将调制算法生成的两路数字驱动信号转换为模拟信号，即驱动电压，驱动电压作用于驱动电极上产生相应的静电力对谐振子振型实时修正，根据在驱动电极工作中电极板上初始电压值为0，间距为d
′
。实际作用于谐振子上的静电力f由驱动电压和驱动电极板间距d
′
共同确定。自此完成谐振子振型的实时控制。
[0061]
在本发明实施例中，基于x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值包括：
[0062][0063]
其中，为谐振子的震动阻尼，ω
x
为半球谐振陀螺大刚度轴对应的大刚度系数，ωy为半球谐振陀螺小刚度轴对应的小刚度系数，x
′
为x轴第二位移值，为x
′
对应的径向速度，为x
′
对应的径向加速度，y
′
为y轴第二位移值，为y
′
对应的径向速度，为y
′
对应的径向加速度。
[0064]
两轴上的速度信号和的振幅可由各轴振动振幅ai＝max{|i|},i＝x,y及谐振频率ωr确定，所以两轴虚拟哥氏信号振幅亦确定为和将该振幅作为调制信号被同相参考调制信号载波处理后生成的自激励电压信号输入到hrg激励电极上。由某一信号发生器提供虚拟角速度信号，此信号对hrg产生的影响将与真实转台输入的效果一致，从而实现自激励算法代替真实转台输入的目的。再将由频率跟踪算法提供的参考频率信号ωr、由波腹幅值pi控制算法提供的波腹幅值信号e等两信号作为实时虚拟哥氏力生成的必要要素，生成的两轴实时虚拟哥氏力嵌入到实时控制力有用部分中，自此完成自激励输入过程。
[0065]
综上，受谐振子动力学方程启发，设计了可代替模拟转台对hrg进行测试的自激励技术，弥补了模拟转台测试信号单调的问题，可以通过自激励技术利用信号发生器产生任意输入信号对hrg实行误差激励，并以两轴位移信号的形式输出来，利用控制算法对两轴位移信号处理得到带有有用信息如各轴同相量和正交量中包含谐振子内部误差及检测驱动电极引入误差的慢变量信号。同时，本发明的三种控制算法用以实现全角模式控制系统。频率跟踪算法的精度达到0.1ppm，保证解调算法和调制算法精确运行；波腹幅值pi控制算法的精度达到100ppm以内，保证了谐振子振动能量的动态守恒；正交幅值pi控制算法的精度达到50ppm，有效抑制了频率裂解等误差对hrg敏感角速度的精度影响；进动角输出精度达到10ppm，有效地提高了半球谐振陀螺敏感角速度的精度。
[0066]
本发明还公开了一种半球谐振陀螺平衡模式校准装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法。
[0067]
需要说明的是，上述装置之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0068]
该装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑、雷达及云端服务器等计算设备。该装置可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。
[0069]
所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0070]
所述存储器在一些实施例中可以是所述提取装置的内部存储单元，例如提取装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述提取装置的外部存储设备，例如所述提取装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述提取装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(bootloader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

技术特征：
1.一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，包括以下步骤：获取检测电极的x轴电压值和y轴电压值，并分别解算得到检测电极处谐振子的x轴第一位移值和y轴第一位移值；基于所述x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号；根据所述波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力；基于所述x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值；根据x轴第一位移值、y轴第一位移值、x轴第二位移值和y轴第二位移值对半球谐振陀螺进行校准。2.如权利要求1所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，基于所述x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成进动角解算信号包括；基于所述x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量s
y
、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量c
y
；根据s
x
、s
y
、c
x
和c
y
计算得到第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
；根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ。3.如权利要求2所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，基于所述x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成x轴同相振幅慢变量s
x
、y轴同相振幅慢变量s
y
、x轴正交振幅慢变量c
x
和y轴正交振幅慢变量c
y
包括：其中，x为x轴第一位移值，y为y轴第一位移值，v
s
为前一时刻的同相解调参考信号，v
c
前一时刻的正交解调参考信号，lpf()为半球谐振陀螺中的频率跟踪算法。4.如权利要求3所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，根据s
x
、s
y
、c
x
和c
y
计算得到第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
包括：5.如权利要求4所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，根据第一进动角信号s
θ
和第二进动角信号c
θ
解算得到进动角解算信号θ包括：6.如权利要求2-5任一所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，根据
所述波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力包括：其中，f
x
为x轴驱动力，f
y
为y轴驱动力，f
a
为波腹轴信号e的幅值控制力慢变量，θ为进动角解算信号，ω
r
为前一时刻的参考频率，t为时间，f
q
为波节轴信号的正交控制力慢变量，k为谐振子振型的进动因子且为常量，ω为自定义输入角速度值，c
x
为x轴正交振幅慢变量，c
y
为y轴正交振幅慢变量。7.如权利要求6所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，其特征在于，基于所述x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值包括：其中，为谐振子的震动阻尼，ω
x
为半球谐振陀螺大刚度轴对应的大刚度系数，ω
y
为半球谐振陀螺小刚度轴对应的小刚度系数，x
′
为x轴第二位移值，为x
′
对应的径向速度，为x
′
对应的径向加速度，y
′
为y轴第二位移值，为y
′
对应的径向速度，为y
′
对应的径向加速度。8.一种半球谐振陀螺平衡模式校准装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现权利要求1-7任一所述的一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法。

技术总结
本发明公开了一种半球谐振陀螺平衡模式校准方法，获取检测电极的x轴电压值和y轴电压值，并分别解算得到检测电极处谐振子的x轴第一位移值和y轴第一位移值；基于x轴第一位移值和y轴第一位移值、以及前一时刻的同相解调参考信号和正交解调参考信号生成波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号；根据波腹轴信号、波节轴信号、进动角解算信号和频差解算信号计算x轴驱动力和y轴驱动力；基于x轴驱动力和y轴驱动力计算x轴第二位移值和y轴第二位移值；根据x轴第一位移值、y轴第一位移值、x轴第二位移值和y轴第二位移值对半球谐振陀螺进行校准；极大地促进了半球谐振陀螺全角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。角模式的检测便捷性和免拆卸自主标定。


技术研发人员：王小旭 李华 史信达 卢乾波 晏恺晨 刘明雍 张军岭 李鹏飞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/22