一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法

技术领域

本发明属于半球谐振陀螺仪领域,尤其涉及一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是一种极具发展前景的新型高精度哥氏振动陀螺仪，它是航空和航天飞行器捷联惯导系统中最有前景的敏感器件之一，它具有高精度、长寿命的特点，将在兵器、航空、航天等多种领域得到广泛应用，特别是在环境卫星、通信卫星、空间站、月球探测、太空天文望远镜和深空探测等空间应用中，它无疑是最佳的选择，并将具有广阔的应用前景。

经典的陀螺仪具有一个高速旋转的转子，根据牛顿定律：高速旋转的质量具有在惯性空间中保持其转动轴指向不变的特性(即定轴性)，且该质量受到垂直于转动轴方向的外力矩时，将绕垂直于转动轴和外力矩轴方向的第三轴转动(即进动性)。根据定轴性建立运动体内的一个惯性基准，由进动性可以测出运动体的运动角速度。但由于高速转子的存在，陀螺结构复杂，抗振性能较差，对稳定性要求较高，且其框架支承上存在摩擦力矩，使仪表产生漂移敏感误差，导致工作轴的位置存在偏差。

为了保证陀螺仪在启动后可以尽快进入稳态，需要对其工作轴进行监测和控制。传统模式不匹配陀螺的开环速率，陀螺存在轴位移敏感度小，电路噪声极低，高功耗等问题；模式匹配陀螺会引起轴位移的敏感度增大，与此同时以降低信号带宽为代价降低了电路噪声的影响；对于同一批次的加工半球谐振陀螺在装配过程中传统上采用随机确定工作轴的方式，这样存在一个重大问题，就是同一批次内的陀螺工作精度相差较大。目前现有技术中存在的技术问题尚未得到有效解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法，以解决现有随机确定工作轴导致的陀螺仪工作精度低，敏感误差大的技术问题。

本发明实施例一提供了一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法，包括：

获取控制环路中施加的驱动电压和力反馈电压；

根据驱动电压和力反馈电压计算拟正交控制模式下的角速度解算值；

通过调制解调方法提取控制环路各谐振子在0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅；

根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅进行敏感误差辨识，确定补偿电路中对应每个工作轴的补偿静电力；

根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅和补偿静电力，解算出各工作轴施加的补偿电压值。

可选地，根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅进行敏感误差辨识，确定补偿电路中对应每个工作轴的补偿静电力包括：

将根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅作为敏感误差辨识矩阵方程的输入，输出每个工作轴针对每种敏感误差的补偿静电力。

可选地，该方法还包括：

检测补偿电路中每个工作轴对应的实际谐振子静电力；

根据实际谐振子静电力计算转台实际施加角速度。

可选地，检测补偿电路中每个工作轴对应的实际谐振子静电力包括：

检测每个工作轴的谐振子振动时的电容间隙；

根据电容间隙计算对应电容的容值；

根据容值计算出实际谐振子静电力。

可选地，根据实际谐振子静电力计算转台实际施加角速度包括：

将实际谐振子静电力作为敏感误差辨识矩阵方程的输入，输出转台实际施加角速度。

可选地，该方法还包括：

计算转台实际施加角速度和角速度解算值的差值；

判断差值是否满足预设角速度敏感误差范围。

本发明实施例二提供了一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择装置，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上述实施例中任一项的一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法。

本发明的有益效果是：一方面通过误差辨识结果和误差补偿方案以及控制方案可以很好地提升敏感角速度精度，能够有效遏制频率裂解、正交耦合误差、阻尼不均匀等环向参数不均匀误差对输出精度的影响；另一方面，通过实时检测实际补偿的静电力，选择确定工作轴的最佳方位角，进一步提升陀螺敏感角速度精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法；

图2为本发明实施例一提供的一种半球谐振陀螺控制补偿电路设计图；

图3为本发明实施例二提供的一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例一提供了一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法，结合图1和图2，该方法具体实现方式包括：

步骤101：获取控制环路中施加的驱动电压和力反馈电压；

在一种实施例中，如图2所示，陀螺仪的十六激励电极S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16等位置分别对应0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°等电极工作轴。半球谐振陀螺控制环路主要分为驱动控制环路和力反馈控制环路，这里对驱动控制环路分配激励电极方位S1和S5，对力反馈控制环路分配激励电极方位S3和S7，对频率裂解补偿环路、正交耦合误差补偿环路与阻尼不均匀补偿环路分别分配S2/S4/S6/S8、S10/S12/S14/S16、S9/S11/S13/S15等三组激励电极方位。值得注意以下两点：一是由于谐振子四波腹振型和等效二阶弹簧振子第二模态振动函数促使驱动电极和力反馈电极彼此呈45°，控制环路可以对应一组激励电极方位S1/S3/S5/S7；二是三组补偿电极方位可以随意互换，各补偿电极的方位正要通过优化算法来确定具体的各自方位位置。因此在实验环节控制环路以及补偿环路随机分配上述所提及的四组激励电极方位。

由于陀螺仪的谐振子加工误差绝大部分会引入陀螺的正交径向速度中，然而HRG哥式效应也会引起陀螺的正交振动，为此就要对两路正交信号进行同时抑制，因此经过正交误差补偿对哥氏效应引起的运动进行控制，而对加工误差引起的正交运动采取开环策略，而谐振子半径不均匀误差属于加工误差的一种。

基于上述误差分析建立半球谐振陀螺含有谐振子半径不均匀误差的动力学方程可建立为：

其中，m

基于上述动力学方程建立由半径不均匀导致的可调节的量程达式如下：

式中

半球谐振陀螺控制补偿环路针对外界敏感工作轴输入角速度的计算值仅涉及到驱动电压和力反馈电压，为此获取控制环路中施加驱动电压和力反馈电压作为该控制补偿系统的控制输入。

步骤102：根据驱动电压和力反馈电压计算拟正交控制模式下的角速度解算值；

在一种实施例中，当陀螺环向十六激励电极控制补偿环路促使敏感角速度输出结果收敛达到稳态后，将驱动电压和力反馈电压通过公式

步骤103：通过调制解调方法提取控制环路各谐振子在0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅；

在一种实施例中，在控制补偿环路中，主要通过拟正交控制模式下检测各路电极，并对电极信号通过差分通道处理后再进行滤波处理，对处理后的信号进攻AD采样，并进行AM解调。通过观察该模式下各路信号的位移各分量及激励电压的稳态值，从而进行各误差辨识，针对误差辨识结果进行有效补偿。由于控制电路中的谐振子四波腹振型和等效二阶弹簧振子第二模态振动函数促使驱动电极和力反馈电极彼此呈45°电极轴，根据能量守恒定律，检测电极检测0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅，通过补偿环路保证谐振子振动能量保持不变，谐振子同相与正交振幅n被抑制为零。

需要说明的是，基于上述动力学方式公式(1.1)可以看出，式中第一项阻尼项

0°电极轴的驱动静电力F

45°电极轴的静电力F

针对上述两路信号的衰减，对应的补偿电路需补偿的静电力如下：

式中，a、b、m、n分别代表驱动模态的正交振幅、检测模态的正交振幅、驱动模态的同相振幅、检测模态的同相振幅。

为此，需要通过信号解调模块提取控制环路各谐振子在0°电极轴的同相与正交振幅a、m，45°电极轴的同相与正交振幅b、n,并结合步骤101获取到的驱动电压V

步骤104：根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅进行敏感误差辨识，确定补偿电路中对应每个工作轴的补偿电力。

可选地，根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅进行敏感误差辨识，确定补偿电路中对应每个工作轴的补偿静电力包括：

将根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅作为敏感误差辨识矩阵方程的输入，输出每个工作轴针对每种敏感误差的补偿静电力。

在一种实施例中，已知布勃诺夫常量m

其中B

这里需要将将测到的0°电极轴的同相与正交振幅a、m，45°电极轴的同相与正交振幅b、n待入矩阵B

1、驱动电极需要补偿

2、力平衡电极需要补偿

3、正交调节电极需要补偿

4、调频电极需要补偿

则激励电极按照默认位置进行配置，例如，包含

步骤105：根据0°电极轴的同相与正交振幅和45°电极轴的同相与正交振幅和补偿静电力，解算出各工作轴施加的补偿电压值。

在一种实施例中，将检测到的在0°电极轴的同相与正交振幅a、m，45°电极轴的同相与正交振幅b、n分别代入以下公式(1.8)：

其中，F

可选地，该方法还包括：

检测补偿电路中每个工作轴对应的实际谐振子静电力；

根据实际谐振子静电力计算转台实际施加角速度。

在一种实施例中，在初次进行误差补偿后，由于运动产生的实际误差无法得知，这就无法实时对陀螺仪进行持续监测和补偿，为此需实时监测补偿电路中的每个工作轴的实际转化的实际谐振子静电力，根据实际谐振子静电力计算转台实际施加角速度。

可选地，检测补偿电路中每个工作轴对应的实际谐振子静电力包括：

检测每个工作轴的谐振子振动时的电容间隙；

根据电容间隙计算对应电容的容值；

根据容值计算出实际谐振子静电力。

在一种实施例中，需要说明的是谐振子环向任一方位角的径向位移为：

例如：针对半球谐振陀螺22.5°轴激励电极的径向位移表达式为：

当谐振子静止时，检测第i个电容间隙为d

则第i个工作轴上第i个电容的容值为：

式中，

在式(2.1)中，电容i的电容简化为x和y的线性函数。在陀螺十六激励电极中，对应22.5°电极轴的电容S2、对应180°电极轴的电容S9、对应202.5°电极轴的电容S10等三者的容值分别可写为：

根据拉格朗日力学原理，在一定激励检测电容内，谐振子唇沿与平板电极之间的静电场为

对于第i个电容，当谐振子振动时其静电力为：

若使用式(2.1)中简化方法，则静电力表达式可简化如下：

式(2.4)中将静电力简化为x和y的线性函数。在陀螺十六激励电极中，对应22.5°电极轴的电容器2、对应180°电极轴的电容器9、对应225°电极轴的电容器10等四者的静电力为：

为了研究拟正交控制模式下半径不均匀误差对激励系统的影响，现将式p＝acosω

其中，根据公式(2.6)可分别计算出的工作轴S2、S9、S10各自实际的静电力。

可选地，根据实际谐振子静电力计算转台实际施加角速度包括：

将实际谐振子静电力作为敏感误差辨识矩阵方程的输入，输出转台实际施加角速度。

在一种实施例中，根据计算得到的工作轴的实际静电力于经过敏感误差辨识矩阵方程计算得到等价静电力关系式，可计算出转台实际施加角速度。例如：

将检测到的静电力F

可选地，该方法还包括：

计算转台实际施加角速度和角速度解算值的差值；

判断差值是否满足预设角速度敏感误差范围。

在一种实施例中，根据公式

需要说明的式本发明还提供了一种最佳工作轴的优化方案，具体如下：

假设β

优化变量设置范围为：

优化目标函数最小化表达式为：

min[-|Ω

优化约束为：

利用MATLAB工具箱中基于遗传算法的多目标优化算法即可得到陀螺量程Ω

本发明实施例二提供了一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择装置300，如图3所示，包括存储器310、处理器320以及存储在存储器310中并可在处理器上运行的计算机程序330，处理器320执行计算机程序时实现上述实施例中任一项的一种力平衡半球谐振陀螺工作轴选择方法。