半球谐振陀螺误差力补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及惯性仪表技术应用领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺误差力补偿方法和装置。

背景技术

陀螺仪零偏等误差参数在长期存储和使用过程中会发生漂移，严重影响其使用精度。具体表现为：在一次通电多组测试情况下，陀螺仪零偏等误差参数存在慢漂、不一致现象；在逐次或多次通电情况下，误差参数呈现时空动态快变性，且其变化规律难以确定。现有的陀螺仪标定方法是依赖于外部高精度转台的速率实验，但此方法体系未能有效解决上述问题，且陀螺仪的定期拆卸标定，对于单表来说，存在维护成本高、工作量大、使用灵活度和快速性降低等诸多问题，这些问题是各种陀螺仪高精度应用的瓶颈性问题。陀螺仪每次使用前的重新标定，将严重影响其反应速度；测试环境和实际应用环境间的差异性，陀螺仪误差参数的时空动态快变性，将导致其高精度难以维持。

针对现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响陀螺仪反应速度，并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题，目前尚未得到有效的解决。

发明内容

本发明实施例提供了一种半球谐振陀螺误差力补偿方法和装置，以至少解决现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响陀螺仪反应速度，并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种半球谐振陀螺误差力补偿方法，包括：在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于

可选的，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励包括：依据预设次序执行提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力和将虚拟哥氏力作用于检测模态；在力平衡模式下，驱动模态锁定在x轴方向，检测模态锁定在y方向，且振幅被抑制，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励，并将误差在静电反馈力中反映。

可选的，依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数包括：依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，进而获得单轴正反转标定公式；依据标定公式并利用虚拟角速度激励完成静态标定，得到速率HRG的标度因数和零偏误差参数。

进一步地，可选的，依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数包括：

其中，标度因数为SF

可选的，依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿包括：通过自激励控制模块产生静电补偿力f

其中，静电补偿力与谐振子振动速度同相，其中，

进一步地，可选的，该方法还包括：在静电补偿力施加之后，半球谐振陀螺动力学模型发生改变，其中，变化后的半球谐振陀螺动力学模型包括：

其中，x代表半球谐振子0°方向检测到的振动位移信号，y代表45°方向检测到的振动位移信号，f

在力平衡模式下，根据谐振振型振动状态

完成静电补偿力施加之后，驱动模态谐振频率、静电驱动力f

其中，A为谐振子振动幅值，ω

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种半球谐振陀螺误差力补偿装置，包括：自激励模块，用于在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；标定模块，用于依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；系数获取模块，用于依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；补偿模块，用于依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。

可选的，自激励模块包括：执行单元，用于依据预设次序执行提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力和将虚拟哥氏力作用于检测模态；自激励单元，用于在力平衡模式下，驱动模态锁定在x轴方向，检测模态锁定在y方向，且振幅被抑制，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励，并将误差在静电反馈力中反映。

可选的，标定模块包括：公式获取单元，用于依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，进而获得单轴正反转标定公式；标定单元，用于依据标定公式并利用虚拟角速度激励完成静态标定，得到速率HRG的标度因数和零偏误差参数。

进一步地，可选的，依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数包括：

/>

其中，标度因数为SF

本发明实施例中，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。也就是说，本发明实施例能够解决现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响陀螺仪反应速度，并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题，从而达到了提升陀螺仪角速度输出精度的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法的执行示意图；

图3为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中带有自激励控制模块(实现功能一：自激励角速度施加)的速率HRG系统控制原理图；

图4为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中带有自激励控制模块(实现功能二：静电补偿力施加)的速率HRG系统控制原理图；

图5为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中带有自激励控制模块的速率HRG控制系统仿真模型图；

图6为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中速率HRG误差力补偿实现图；

图7为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中速率HRG误差力补偿效果验证图；

图8为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种半球谐振陀螺误差力补偿方法，图1为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法的流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供的半球谐振陀螺误差力补偿方法包括：

步骤S102，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；

可选的，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励包括：依据预设次序执行提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力和将虚拟哥氏力作用于检测模态；在力平衡模式下，驱动模态锁定在x轴方向，检测模态锁定在y方向，且振幅被抑制，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励，并将误差在静电反馈力中反映。

具体的，本申请实施例提供的半球谐振陀螺误差力补偿方法，从本质上来看，力平衡模式下由谐振子非等阻尼误差引起的陀螺漂移误差，将反映在力反馈控制回路输出的静电反馈力中，而速率HRG的敏感角速度输出，依赖于静电反馈力的输出精度。理论上有两种方式提高该类陀螺输出精度，方式一，利用本发明所提出的基于自激励的误差自补偿方法，对谐振振型漂移误差进行力补偿，以降低静电反馈力中包含的谐振振型漂移误差抑制力分量成分，保证静电反馈力与激励角速度间的稳定比例关系；方式二，利用陀螺误差转台标定方法，完成速率HRG标度因数和零偏误差标定，对带有陀螺内部误差的静电反馈力输出进行算法补偿，以获得高精度的陀螺敏感角速度输出信号。本申请实施例提供的半球谐振陀螺误差力补偿方法对应上述解决方式一，整体实施流程如附图2所示，图2为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法的执行示意图，速率HRG(hemisphericalresonance gyroscope，半球谐振陀螺仪)误差自激励，利用内部信号处理，完成虚拟哥氏力在检测模态上的施加，等效于外部角速度激励所产生哥氏力的影响；其中，HRG自激励的实现，需要完成提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力、将虚拟哥氏力作用于检测模态三大步骤。在力平衡模式下，驱动模态被锁定在x轴方向，检测模态被锁定在y轴方向且振幅被几乎抑制为0(

步骤S104，依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；

可选的，依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数包括：依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，进而获得单轴正反转标定公式；依据标定公式并利用虚拟角速度激励完成静态标定，得到速率HRG的标度因数和零偏误差参数。

具体的，如图2所示，在利用自激励完成两等大反向、正/负角速度施加，获得正/负激励下静电反馈力输出的前提下，根据速率HRG误差演化模型，利用单轴正反转方法，标定速率HRG的标度因数和零偏误差参数。当标定模型形如

其中，

得到力平衡模式下、利用静电反馈力f

步骤S106，依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；

可选的，依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数包括：

其中，标度因数为SF

具体的，如图2所示，根据速率HRG误差演化模型中标度因数SF

步骤S108，依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。

可选的，依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿包括：通过自激励控制模块产生静电补偿力f

其中，静电补偿力与谐振子振动速度同相，其中，

进一步地，可选的，本申请实施例提供的半球谐振陀螺误差力补偿方法还包括：在静电补偿力施加之后，半球谐振陀螺动力学模型发生改变，其中，变化后的半球谐振陀螺动力学模型包括：包括：

其中，x代表半球谐振子0°方向检测到的振动位移信号，y代表45°方向检测到的振动位移信号，f

在力平衡模式下，根据谐振振型振动状态

完成静电补偿力施加之后，驱动模态谐振频率、静电驱动力f

其中，A为谐振子振动幅值，ω

具体的，如图2所示，速率HRG误差力补偿。利用内部信号处理，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，抑制谐振振型漂移误差，获得高精度静电反馈力输出，使得陀螺零偏误差稳定且趋于0，提高陀螺敏感角速度输出精度，完成陀螺误差力补偿。

在获得谐振子非等阻尼误差幅值和主轴偏角的前提下，利用内部信号处理，通过自激励控制模块产生静电补偿力f

带有自激励控制模块(实现功能二：静电补偿力施加)的速率HRG系统控制方案如附图4所示，图4为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中带有自激励控制模块(实现功能二：静电补偿力施加)的速率HRG系统控制原理图，在原有力平衡模式四大基本控制回路(幅度控制、频相跟踪、拟正交控制、力反馈控制)的基础上，利用控制电路板内部谐振振动幅值

在y轴方向施加静电补偿力：

/>

静电补偿力f

施加上述静电补偿力f

力平衡模式下，有

其中A为谐振子振动幅值，ω

可得，完成静电补偿力施加之后，驱动模态谐振频率、静电驱动力f

此时，静电反馈力f

为了完成速率HRG误差力补偿方法的仿真验证，本发明利用simulink搭建了力平衡模式下HRG控制系统仿真模型，包括四大基本控制电路，以及带有自激励角速度施加、静电补偿力施加功能的自激励控制模块，如附图5所示，图5为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中带有自激励控制模块的速率HRG控制系统仿真模型图。在自激励控制模块中，为了施加自激励角速度，可利用控制电路中的幅度控制量和解调参考信号频率，生成虚拟哥氏电压信号，进而在控制信号调制模块中产生与谐振子振动速度同相的虚拟哥氏力信号，作用于HRG动力学模型，等效于外部角速度激励所产生真实哥氏力的作用效果；为了施加静电补偿力，可利用谐振子参数自主辨识结果，结合控制电路板内部基准信号，分别生成x,y轴自补偿电压信号，同样在控制信号调制模块中产生与谐振子振动速度同相的静电补偿力，作用于HRG动力学模型，达到抑制非等阻尼误差所引起谐振子不良振动的效果。

综上，本申请实施例中半球谐振陀螺(HRG，hemispherical resonancegyroscope)的动力学模型为：

该动力学模型能够表征半球谐振子的真实工作状态。其中，x代表半球谐振子0°方向检测到的振动位移信号，y代表45°方向检测到的振动位移信号，f

陀螺敏感角速度输出的计算有两种方式，方式一，利用正交解调参考信号

由两种角速度解算方式下标度因数和零偏误差的理论形式可以看出，谐振子的非等阻尼误差幅值

在本申请实施例中，速率HRG误差力补偿的实现如附图6所示，图6为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中速率HRG误差力补偿实现图，图6中虚拟哥氏力f

本申请实施例的实施例及其实施过程如下：

1)施加如附图6(a1)(a2)所示的自激励角速度，获得各状态下如附图6(b1)(b2)所示的虚拟哥氏力、如附图6(c1)(c2)所示的静电反馈力以及如附图6(c3)(c4)所示的静电驱动力，完成陀螺内部误差自激励以及其在各静电控制力中的显现。随之利用静电驱动力和静电补偿力输出信息，完成该角速度解算方式下速率HRG误差演化模型中，标定因数和零偏误差的自标定以及非等阻尼误差系数的反解辨识，各参数的收敛结果分别见附图6(d)(e)(f)(g)；

2)根据谐振子非等阻尼误差幅值与主轴偏角的自主辨识结果，利用自激励控制模块产生x轴和y轴自补偿电压信号，具体见附图5仿真模型，进而生成静电补偿力，如附图6(h1)(h2)所示，抑制由非等阻尼误差产生的谐振振型漂移误差，由于谐振子的最大阻尼轴与0°电极轴夹角为22.5°，最大阻尼轴和最小阻尼轴间的非等阻尼误差为3.1194e-05，初始相位下，理论上x轴应施加静电补偿力为0N，y轴方向应施加静电补偿力大小为9.73e-06N，方向为沿谐振子赤道径向向内，实际上x轴方向施加1e-07N量级的静电补偿力，如图6(h1)所示，y轴方向施加约1e-05N，沿谐振子赤道径向向内的静电补偿力，如图6(h2)所示，该组静电补偿力的施加能够在一定程度上抑制谐振振型漂移误差，实现基于自激励的速率HRG误差力补偿；

3)在完成速率HRG误差力补偿后，静电补偿力中的非等阻尼误差抑制力分量成分将大幅度下降，根据陀螺静电补偿力输出的单轴正反转自标定结果显示，零偏误差由未补偿前的-5.80480°/h降低至力补偿后的-0.03675°/h，即误差力补偿使得陀螺具有百分级角速度输出精度。

在多种角速度输入情况下，可根据力补偿前后的陀螺敏感角速度输出情况，评估该速率HRG误差力补偿方法对陀螺输出精度的提升效果。由附图7的实验结果可以看出，图7为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿方法中速率HRG误差力补偿效果验证图，本申请实施例提出的半球谐振陀螺误差力补偿，能够完成自我精度提升，速率HRG输出误差降低至百分级(约百分之三度每小时)。

本申请实施例提出的半球谐振陀螺误差力补偿方法，理论上可以在完成陀螺误差参数标定和谐振子非等阻尼误差系数辨识的基础上，利用内部信号处理，通过自激励的方法施加补偿力，完成速率HRG误差自补偿，使得陀螺零偏误差在全生命周期内稳定且趋于0，陀螺仪保持高精度角速度输出。

本申请实施例提出的半球谐振陀螺误差力补偿方法利用静电补偿力，有效控制谐振子的不良振动状态，降低静电反馈力中所包含由非等阻尼误差引起的谐振振型漂移误差抑制力分量成分，保证静电反馈力与敏感角速度激励间的稳定比例关系，使得速率HRG零偏误差稳定且趋于0，解决了现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响其反应速度并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题，维持了陀螺仪全生命周期内的高精度角速度输出。本发明实施例中，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。也就是说，本发明实施例能够解决现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响陀螺仪反应速度，并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题，从而达到了提升陀螺仪角速度输出精度的技术效果。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种半球谐振陀螺误差力补偿装置，图8为本发明实施例提供的一种半球谐振陀螺误差力补偿装置的示意图，如图8所示，本申请实施例提供的半球谐振陀螺误差力补偿装置包括：

自激励模块82，用于在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；标定模块84，用于依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；系数获取模块86，用于依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；补偿模块88，用于依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。

可选的，自激励模块82包括：执行单元，用于依据预设次序执行提取驱动模态振动速度、生成虚拟哥氏力和将虚拟哥氏力作用于检测模态；自激励单元，用于在力平衡模式下，驱动模态锁定在x轴方向，检测模态锁定在y方向，且振幅被抑制，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励，并将误差在静电反馈力中反映。

可选的，标定模块84包括：公式获取单元，用于依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，进而获得单轴正反转标定公式；标定单元，用于依据标定公式并利用虚拟角速度激励完成静态标定，得到速率HRG的标度因数和零偏误差参数。

进一步地，可选的，依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数包括：

其中，标度因数为SF

本发明实施例中，在力平衡模式下，利用静电驱动力、静电反馈力、拟正交控制力和虚拟哥氏力，完成陀螺仪误差自激励；依据静电驱动力和静电反馈力的比例关系，获得敏感角速度信息的HRG误差演化模型，得到速率HRG标度因数和零偏误差参数；依据标度因数和零偏误差参数与非等阻尼误差系数的关系，得到非等阻尼误差系数；依据非等阻尼误差系数，通过自激励控制模块产生静电补偿力，作用于x轴和y轴方向，完成陀螺误差力补偿。也就是说，本发明实施例能够解决现有技术中陀螺仪每次使用前需要重新转台标定且测试环境和实际使用环境存在差异，严重影响陀螺仪反应速度，并导致陀螺仪角速度输出精度低的问题，从而达到了提升陀螺仪角速度输出精度的技术效果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。