半球谐振陀螺的温漂误差检测方法及系统

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺的温漂误差检测方法及系统。

背景技术

半球谐振陀螺是一种具有惯导级性能的高精度固体振动陀螺， 其基于哥氏振动原理，利用半球唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，其不含机械转子，具备测量精度高，工作寿命长，体积小，抗冲击、过载、辐射能力强，稳定性和可靠性高等优点，在惯导领域受到越来越多的关注和应用，对国家的工业智能化和武器装备现代化发展具有重要意义。

但是，半球谐振陀螺经常在复杂的温度环境下工作，包括温度变化快速、幅度较大的情况。这使得准确地捕捉和模型化温度引起的漂移变化变得更加困难。半球谐振陀螺的温度响应通常是非线性的，随着温度的变化，其性能和特性可能会出现复杂的变化。这就需要在漂移补偿算法中考虑非线性因素，增加了补偿算法的复杂性。在实际应用中，半球谐振陀螺的各个部分可能受到不同的温度影响，导致整个装置的温度分布不均匀。这可能会导致在不同部分出现不同程度的温度漂移，增加了补偿的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种半球谐振陀螺的温漂误差检测方法及系统，用于提高对温漂误差检测及补偿的准确率。

本发明提供了一种半球谐振陀螺的温漂误差检测方法，包括：获取预设的测试参数集合，其中，所述测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；通过所述测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集所述半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；基于所述振型角控制信号序列，通过所述谐振频率信号序列对所述半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对所述谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；对所述周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；对所述第一谐振频率系数集合以及所述第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过所述目标温度数据对所述半球谐振陀螺进行温漂补偿。

在本发明中，所述通过所述测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集所述半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列步骤，包括：对所述测试周期进行周期分割，得到稳态周期以及力反馈控制周期；通过所述稳态周期以及所述力反馈控制周期对所述半球谐振陀螺进行温度测试；在所述力反馈控制周期时，对所述半球谐振陀螺进行频率信号采集，得到对应的谐振频率信号序列，同时，对所述半球谐振陀螺进行振型角控制信号采集，得到对应的振型角控制信号序列。

在本发明中，所述基于所述振型角控制信号序列，通过所述谐振频率信号序列对所述半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对所述谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合步骤，包括：

通过预置的第一阻尼角计算公式，对所述振型角控制信号序列进行初始阻尼角计算，得到初始阻尼角数据，其中，所述第一阻尼角计算公式如下所示：

其中，

通过预置的第一周向阻尼不均计算公式，对所述振型角控制信号序列进行初始周向阻尼不均计算，得到初始周向阻尼不均数据，其中，所述第一周向阻尼不均计算公式如下所示：

其中，

对所述初始阻尼角数据以及所述初始周向阻尼不均数据进行稳态谐振频率分析，得到稳态谐振频率；

基于所述稳态谐振频率，对所述谐振频率信号序列进行周向阻尼不均以及阻尼角计算，得到所述周向阻尼不均数据集合以及所述阻尼角数据集合。

在本发明中，所述基于所述稳态谐振频率，对所述谐振频率信号序列进行周向阻尼不均以及阻尼角计算，得到所述周向阻尼不均数据集合以及所述阻尼角数据集合步骤，包括：

基于所述稳态谐振频率，通过预置的第二阻尼角计算公式，对所述谐振频率信号序列进行阻尼角转换，得到对应的阻尼角数据集合，其中，所述第二阻尼角计算公式如下所示：

其中，

基于所述稳态谐振频率，通过预置的第二周向阻尼不均计算公式，对所述谐振频率信号序列进行周向阻尼不均计算，得到对应的周向阻尼不均数据集合，其中，所述第二周向阻尼不均计算公式如下所示：

其中，

在本发明中，所述对所述周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合步骤，包括：

对所述周向阻尼不均数据集合进行序列转换，得到对应的周向阻尼不均序列；

对所述阻尼角数据集合进行序列转换，得到对应的阻尼角序列；

通过预置的第一谐振频率系数计算公式对所述周向阻尼不均序列进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，其中，所述第一谐振频率系数计算公式如下所示：

其中，

对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合。

在本发明中，所述对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合步骤，包括：

通过预置的第二谐振频率系数计算公式对所述阻尼角序列进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合，其中，所述第二谐振频率系数计算公式如下所示：

其中，

本发明还提供了一种半球谐振陀螺的温漂误差检测系统，包括：

获取模块，用于获取预设的测试参数集合，其中，所述测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；

测试模块，用于通过所述测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集所述半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；

第一计算模块，用于基于所述振型角控制信号序列，通过所述谐振频率信号序列对所述半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对所述谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；

第二计算模块，用于对所述周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；

补偿模块，用于对所述第一谐振频率系数集合以及所述第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过所述目标温度数据对所述半球谐振陀螺进行温漂补偿。

本发明提供的技术方案中，获取预设的测试参数集合，其中，测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；通过测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；基于振型角控制信号序列，通过谐振频率信号序列对半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；对周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；对所述第一谐振频率系数集合以及所述第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过所述目标温度数据对所述半球谐振陀螺进行温漂补偿。在本申请方案中，采用力反馈模式，施加控制力驱动陀螺振型进动到空间关系固定的三个位置，无需如旋转机构等其他设备进行控制，提高了实验精度；力反馈控制下，改变振型角方位后预留了缓冲时间，并以振型角停留在固定位置后一段时间内控制信号平均值作为输出，减小了振型角控制回路和噪声带来的干扰，通过获取预设的测试参数集合，包括测试周期和初始测试温度，可以对半球谐振陀螺进行温度测试。在测试过程中，采集半球谐振陀螺的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列。通过阻尼角数据集合，可以计算第二谐振频率系数，并根据第一谐振频率系数集合和第二谐振频率系数集合，对半球谐振陀螺进行温漂补偿，能够减小温度变化对谐振陀螺性能的影响，提高其稳定性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中半球谐振陀螺的温漂误差检测方法的流程图。

图2为本发明实施例中通过测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试的流程图。

图3为本发明实施例中半球谐振陀螺的温漂误差检测系统的示意图。

附图标记：

301、获取模块；302、测试模块；303、第一计算模块；304、第二计算模块；305、补偿模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为便于理解，下面对本发明实施例的具体流程进行描述，请参阅图1，图1是本发明实施例的一种半球谐振陀螺的温漂误差检测方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

S101、获取预设的测试参数集合，其中，测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；

S102、通过测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；

S103、基于振型角控制信号序列，通过谐振频率信号序列对半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；

S104、对周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；

S105、对第一谐振频率系数集合以及第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过目标温度数据对半球谐振陀螺进行温漂补偿。

需要说明的是，按温度谱进行温度试验，陀螺采用力反馈的工作模式，一个测试周期可以设置为900s，其中，初始环境温度为20℃，每经过一个周期提高0.5℃，试验时间t=15小时，录数频率r=100Hz(每秒录取100个数)，试验时陀螺敏感轴指向地速为零点，此时陀螺输出振型角控制信号仅含常值漂移，前600s用于等待半球谐振陀螺达到稳态，后300s中另分3个100s的小周期，每个小周期的前20s通过力反馈控制将振型角分别控制到在空间中相对于电极轴夹角0°，22.5°和45°的位置，后80s通过信号输出模块录取陀螺的振型角控制信号序列，谐振频率信号序列。

由于谐振陀螺的振型角和谐振频率之间存在一定的关系，通过对振型角控制信号序列进行分析，可以计算出半球谐振陀螺在不同情况下的周向阻尼不均数据集合。同时，结合转换后的频率序列，还可以计算出阻尼角数据集合，这些数据在后续的温漂补偿中会用到。周向阻尼不均数据集合可以用于计算第一谐振频率系数，这是通过分析不同温度下的谐振频率和阻尼数据的关系得出的。同时，阻尼角数据集合可以用于计算第二谐振频率系数，这个系数同样会随温度变化而变化。温漂是指随着温度变化而引起的仪器性能变化。通过之前计算得到的第一和第二谐振频率系数集合，可以建立一个温漂补偿模型。这个模型可以在实际使用中，根据当前的谐振频率系数和温度变化，对半球谐振陀螺的性能进行补偿，以减小温度变化对谐振陀螺性能的影响。

需要说明的是，确定需要在半球谐振陀螺中实现的目标温度数据。使用温度-系数关系模型将目标温度数据转化为相应的第一谐振频率系数和第二谐振频率系数。这涉及将目标温度数据代入建立的模型中，以获得目标频率系数的估算值。将从目标温度数据匹配得到的第一谐振频率系数和第二谐振频率系数应用于半球谐振陀螺的控制系统。这意味着在不同温度下，根据实际工作温度与目标温度之间的差异，即时调整半球谐振陀螺的操作参数，以抵消温度引起的频率漂移。建立一个闭环控制系统，该系统使用实时监测的温度数据并将其与目标温度数据匹配的频率系数进行比较。在每个时间步中，控制系统将根据这些数据实时调整半球谐振陀螺的操作，以确保其在不同温度条件下保持稳定的谐振频率。

例如，假设有一个半球谐振陀螺用于精密导航，操作温度范围在-20℃至+40℃。首先采集了在不同温度条件下的第一谐振频率系数和第二谐振频率系数数据，以及相应的温度数据。然后，建立了一个温度-系数关系模型，可能是一个线性回归模型。接下来，确定了在各个温度点下所需的目标温度数据，以满足导航性能的要求。对于特定温度点，可以使用模型将目标温度数据匹配到对应的第一谐振频率系数和第二谐振频率系数。如果实际温度与目标温度不匹配，控制系统将根据这些差异即时调整谐振陀螺的操作参数，以确保它在不同温度下保持所需的性能。

通过执行上述步骤，获取预设的测试参数集合，其中，测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；通过测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；基于振型角控制信号序列，通过谐振频率信号序列对半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；对周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；对第一谐振频率系数集合以及第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过目标温度数据对半球谐振陀螺进行温漂补偿。在本申请方案中，采用力反馈模式，施加控制力驱动陀螺振型进动到空间关系固定的三个位置，无需如旋转机构等其他设备进行控制，提高了实验精度；力反馈控制下，改变振型角方位后预留了缓冲时间，并以振型角停留在固定位置后一段时间内控制信号平均值作为输出，减小了振型角控制回路和噪声带来的干扰，通过获取预设的测试参数集合，包括测试周期和初始测试温度，可以对半球谐振陀螺进行温度测试。在测试过程中，采集半球谐振陀螺的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列。通过阻尼角数据集合，可以计算第二谐振频率系数，并根据第一谐振频率系数集合和第二谐振频率系数集合，对半球谐振陀螺进行温漂补偿，能够减小温度变化对谐振陀螺性能的影响，提高其稳定性和准确性。

在一具体实施例中，如图2所示，执行步骤S102的过程可以具体包括如下步骤：

S201、对测试周期进行周期分割，得到稳态周期以及力反馈控制周期；

S202、通过稳态周期以及力反馈控制周期对半球谐振陀螺进行温度测试；

S203、在力反馈控制周期时，对半球谐振陀螺进行频率信号采集，得到对应的谐振频率信号序列，同时，对半球谐振陀螺进行振型角控制信号采集，得到对应的振型角控制信号序列。

具体的，每个周期内包含不同阶段，包括稳态周期和力反馈控制周期。初始环境温度为20℃，在前600秒内，半球谐振陀螺逐渐达到稳态。这个阶段用于让陀螺达到所需的工作状态。在接下来的300秒内，将被分为3个小周期，每个小周期为100秒。在每个小周期内，前20秒将通过力反馈控制，将半球谐振陀螺的振型角控制到特定位置（0°、22.5°和45°）。剩余的80秒用于采集振型角控制信号和谐振频率信号。在稳态周期内，半球谐振陀螺将在初始环境温度下达到稳定状态，以确保温度对其性能的影响已经稳定。

在力反馈控制周期内，将逐渐提高温度，每个小周期提高0.5℃，并在每个小周期的最后80秒内进行数据采集。在每个小周期的后80秒内，进行信号采集：对于频率信号采集：使用录数频率r=100 Hz，意味着每秒采集100个数据点，将这些数据点作为谐振频率信号序列，在每个小周期的前20秒通过力反馈控制将半球谐振陀螺的振型角控制到特定位置。因此，在这20秒内，记录陀螺的振型角控制信号序列。

在一具体实施例中，执行步骤S103的过程可以具体包括如下步骤：

（1）通过预置的第一阻尼角计算公式，对振型角控制信号序列进行初始阻尼角计算，得到初始阻尼角数据，其中，第一阻尼角计算公式如下所示：

其中，

（2）通过预置的第一周向阻尼不均计算公式，对振型角控制信号序列进行初始周向阻尼不均计算，得到初始周向阻尼不均数据，其中，第一周向阻尼不均计算公式如下所示：

其中，

（3）对初始阻尼角数据以及初始周向阻尼不均数据进行稳态谐振频率分析，得到稳态谐振频率；

（4）基于稳态谐振频率，对谐振频率信号序列进行周向阻尼不均以及阻尼角计算，得到周向阻尼不均数据集合以及阻尼角数据集合。

需要说明的是，在对初始阻尼角数据以及初始周向阻尼不均数据进行稳态谐振频率分析，得到稳态谐振频率时，为了进行频率分析，建立半球谐振陀螺的数学模型。使用欧拉方程或其他相关的动力学方程来描述陀螺的运动。这个模型应该包括角速度、角度、阻尼等参数。在模型中设置初始条件，包括初始阻尼角数据和初始周向阻尼不均数据。这些数据将影响谐振频率的计算。稳态谐振频率是在系统达到稳定状态时的振动频率。在进行频率分析时可以使用数值求解方法，如数值积分或数值模拟，来模拟半球谐振陀螺的运动，并记录时间序列数据。获取时间序列数据后，可以使用傅立叶变换来将数据从时域转换为频域，最终确定稳态谐振频率。

在一具体实施例中，执行基于稳态谐振频率，对谐振频率信号序列进行周向阻尼不均以及阻尼角计算，得到周向阻尼不均数据集合以及阻尼角数据集合步骤的过程可以具体包括如下步骤：

（1）基于稳态谐振频率，通过预置的第二阻尼角计算公式，对谐振频率信号序列进行阻尼角转换，得到对应的阻尼角数据集合，其中，第二阻尼角计算公式如下所示：

其中，

（2）基于稳态谐振频率，通过预置的第二周向阻尼不均计算公式，对谐振频率信号序列进行周向阻尼不均计算，得到对应的周向阻尼不均数据集合，其中，第二周向阻尼不均计算公式如下所示：

其中，

在一具体实施例中，执行步骤S104步骤的过程可以具体包括如下步骤：

（1）对周向阻尼不均数据集合进行序列转换，得到对应的周向阻尼不均序列；

（2）对阻尼角数据集合进行序列转换，得到对应的阻尼角序列；

（3）通过预置的第一谐振频率系数计算公式对周向阻尼不均序列进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，其中，第一谐振频率系数计算公式如下所示：

其中，

（4）对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合。

在一具体实施例中，执行对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合步骤的过程可以具体包括如下步骤：

（1）通过预置的第二谐振频率系数计算公式对阻尼角序列进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合，其中，第二谐振频率系数计算公式如下所示：

其中，

本发明实施例还提供了一种半球谐振陀螺的温漂误差检测系统，如图3所示，该一种半球谐振陀螺的温漂误差检测系统具体包括：

获取模块301，用于获取预设的测试参数集合，其中，所述测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；

测试模块302，用于通过所述测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集所述半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；

第一计算模块303，用于基于所述振型角控制信号序列，通过所述谐振频率信号序列对所述半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对所述谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；

第二计算模块304，用于对所述周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对所述阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；

补偿模块305，用于对所述第一谐振频率系数集合以及所述第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过所述目标温度数据对所述半球谐振陀螺进行温漂补偿。

通过上述各个模块的协同工作，获取预设的测试参数集合，其中，测试参数集合包括：测试周期以及初始测试温度；通过测试参数集合对预置的半球谐振陀螺进行温度测试，同时，采集半球谐振陀螺在温度测试过程中的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列；基于振型角控制信号序列，通过谐振频率信号序列对半球谐振陀螺进行周向阻尼不均数据计算，得到周向阻尼不均数据集合，同时，对谐振频率信号序列进行阻尼角计算，得到阻尼角数据集合；对周向阻尼不均数据集合进行第一谐振频率系数计算，得到第一谐振频率系数集合，同时，对阻尼角数据集合进行第二谐振频率系数计算，得到第二谐振频率系数集合；对所述第一谐振频率系数集合以及所述第二谐振频率系数集合进行温度数据匹配，得到目标温度数据，并通过所述目标温度数据对所述半球谐振陀螺进行温漂补偿。在本申请方案中，采用力反馈模式，施加控制力驱动陀螺振型进动到空间关系固定的三个位置，无需如旋转机构等其他设备进行控制，提高了实验精度；力反馈控制下，改变振型角方位后预留了缓冲时间，并以振型角停留在固定位置后一段时间内控制信号平均值作为输出，减小了振型角控制回路和噪声带来的干扰，通过获取预设的测试参数集合，包括测试周期和初始测试温度，可以对半球谐振陀螺进行温度测试。在测试过程中，采集半球谐振陀螺的谐振频率信号序列以及振型角控制信号序列。通过阻尼角数据集合，可以计算第二谐振频率系数，并根据第一谐振频率系数集合和第二谐振频率系数集合，对半球谐振陀螺进行温漂补偿，能够减小温度变化对谐振陀螺性能的影响，提高其稳定性和准确性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。