一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法。

背景技术

经典的陀螺是利用高速旋转的质量所具有的定轴性和进动性而制成的，依据主要原理是角动量守恒。这类陀螺在构造上存在转子和框架支承因而对陀螺造成各种附加误差。为了避免活动部件及机械摩擦导致的附加误差，新型的如光学陀螺、谐振陀螺和压电晶体陀螺应运而生。其中谐振陀螺以其独特的优点越来越受到人们的重视，半球谐振陀螺出现于20世纪60年代才出现的一种新型陀螺。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，半球谐振陀螺具有结构上无高速转子、无活动部件，不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力，且谐振子材料通常为石英玻璃，其稳定的物理特性使得它具有很高的可靠性和超长的寿命，高品质的石英谐振子具有高Q值的特点，即使驱动电极发生故障，高品质石英振子的半球谐振陀螺仍可保持20分钟以上的工作时间；同时石英玻璃具有本征抗辐射能力，所以半球谐振陀螺常用于空间航天器的定姿与导航以及军事导航中。

半球谐振子工作时，通过激励产生驻波振型，当外界存在旋转时，科里奥利力将引起驻波进动。当外界旋转角频率远小于谐振子的谐振频率时，可以认为振型的进动角度与外界旋转角度成正比。在全角度模式下，科里奥利力会使谐振子的振动波腹产生进动，通过测量这个进动角的大小就可以实现对角速度的测量。

现在主流的半球谐振陀螺有两种构型，一种是传统的三件套式半球谐振陀螺，主要包括三个部件：谐振子、驱动外壳以及敏感基座。三件式半球谐振陀螺目前在国内已得到了部分应用，在三件式结构中，谐振子的起振驱动、检测与控制分别由谐振子的内、外球面电极实现，激励电容与检测电容被谐振子隔离，从而能够同时实现谐振子振动信号的电驱动与电检测。但三件式半球谐振陀螺复杂的制造工艺和高精度的装配要求，限制了陀螺的量产。另一种是近些年来兴起的两件套式半球谐振陀螺，其具备结构简易、性能稳定、可靠性高及易于维护等诸多优点。基于平板电极结构的两件套式半球谐振陀螺结构虽然极大地简化了半球谐振陀螺制造工艺，但是由于二件套式结构中，谐振子的起振驱动，电检测与控制均由谐振子的端面电极实现，即驱动电容与检测电容共用同一电极板这意味着，在进行驱动的同时无法进行实时检测，需要设计复杂的时分频分复用电路对极板进行复用，以维持谐振子的工作模态，这会造成谐振子的驻波输出电信号带有较大的基低干扰，容易导致驻波信号解调出现错误。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法，以解决两件套式半球谐振陀螺谐振子的驻波输出电信号容易被干扰，导致信号解调出现错误。

本发明通过下述技术方案实现，一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法，可以包括以下步骤：

检测电极上的输出信号经放大器放大后，输入第一滤波器进行滤波，得到驻波输出信号；根据谐振子工作状态的特点构建解调参考信号；将驻波输出信号和解调参考信号输入乘法器得到幅值分量信号；将幅值分量信号输入第二滤波器进行滤波，将经过二滤波器滤波后幅值分量信号输入运算电路解算幅值分量信号，得到相位差信息；通过相位差信息计算方位角，并通过反演得到外界面输入的角速度。

需要说明的是，常见的两件套式半球谐振陀螺由于对传统的三件套式结构进行了简化，仅保留读出基座和谐振子。由于结构的限制，两件套式半球谐振陀螺通常将驱动电容和检测电容合二为一，两个共用同一电极板，并且同时安装于读出基座的水平面上。由于共用统一电极板导致驱动电极无法做大，这造成了驱动的困难。同时也意味着起振驱动与电检测都需要进行特殊的设计从而达到隔离频分，时分以及电极复用来达到避免驱动信号与检测信号间的互相干扰，这造成了电路设计难度的增加。同时电极的复用也意味着在进行驱动的同时无法进行实时检测，同时也会引入很多干扰导致检测电极输出信号不稳定，无法准确确定谐振子的驻波输出信号，对后续的信号解调造成很大的干扰，最终导致无法获得准确的外界输入角速度。为提高二件式谐振陀螺的检测准确性申请人通过在保留二件式原有结构的基础上，分离了驱动电极和检测电极，避免了驱动检测共用同一电极的导致的电路设计的复杂，在保留二件式半球谐振陀螺结构简洁的同时，简化了电路设计，实现了检测电极对驻波的独立检测，能够有效减少干扰，提高最终输出角速度的准确性。

进一步地，检测电极上的输出信号，可以包括以下子步骤：在陀螺基座水平面上设置有8个检测电极，将8个检测电极分为4组，每一组信号输出端设有信号放大器；将经过信号放大器放大的电信号，输入第一滤波器。

进一步地，将8个检测电极分为4组可以包括，8个检测电极以45°为间隔安装在陀螺基座水平面上，以

需要说明的是，本申请通过在基座上设置凸台，将驱动电极和检测电极分开设置，驱动电极以45°为间隔分布在基座凸台的侧面，而检测电极以45°为间隔分布在基座的水平面上。实现了在不改变两件式半球谐振陀螺的基本结构的基础上，同时输出驱动电压和实时检测，简化了电路设计结构，解决了传统两件式半球谐振陀螺中必须要设计复杂的频分、时分以及电极复用方案，简化了电路结构，提高了两件式半球谐振陀螺的可靠性。同时由于去除了复杂的频分、时分以及电极复用方案，能有效降低干扰，检测电极能够更加准确地检测谐振子的驻波的变化，更稳定地输出纯净的电信号，方便后续的信号解调。

进一步地，第一滤波器可以为自适应滤波器。

进一步地，第二滤波器可以为低通滤波器。

进一步地，谐振子工作状态可以为二阶谐振模态。

进一步地，构建解调参考信号可以包括：

，

其中，

进一步地，幅值分量信号可以通过下式得到：

，

其中，

进一步地，相位差信息可以由

进一步地，通过相位差信息计算方位角由下式得到：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过对两件式半球谐振陀螺的底座进行重新设计，将驱动电极和检测电极分开，避免了传统两件式半球谐振陀螺中驱动和检测共用同一电极带来的电路设计复杂的问题，由于检测电极的独立，能够降低干扰，更加准确地检测谐振子的驻波的变化，输出更加纯净的电信号，提高了两件式半球谐振陀螺检测结果的准确性；

2、本发明通过构建解调参考信号，作为信号解调的对比，提高了信号解调的准确性；

3、本发明通过将驱动电极和检测电极分开，实现了两件式半球谐振陀螺的振动状态实时检测，同时由于去掉了复杂的频分、时分以及电极复用电路，提高了两件式半球谐振陀螺的反应速度，能够根据外界的变化更快地解算出外界面输入的角速度的变化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的常见的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。

图2为本发明实施例提供的本发明的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。

图3为本发明实施例提供的二阶模态时谐振子下唇沿的振动状态示意图。

图4为本发明实施例提供的驻波进动变化示意图。

图5为本发明实施例提供的流程图。

图6为本发明实施例提供的平面检测电极的分布示意图。

附图标记所代表的为：11-陀螺壳体、12-半球谐振子、13-平板复用电极、14-电信号引针、15-陀螺外壳、16-陀螺系统电路、23-基座垂向面、24-陀螺基座、31-谐振子、32-波腹、33-波节、41-驻波、42-驻波进动、43-壳体进动、61-谐振子的下唇沿、62-检测电极、P1-第一检测电极、P2-第二检测电极、P3-第三检测电极、P4-第四检测电极、P5-第五检测电极、P6-第六检测电极、P7-第七检测电极、P8-第八检测电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

实施例：

半球谐振陀螺本质上是一种固体哥氏振动陀螺，其核心结构是基于熔融石英制造的敏感谐振结构。半球谐振陀螺的敏感谐振结构常见的形式为旋转对称的壳体结构，常见的三件套式半球谐振陀螺通常由外基座、谐振子、内基座三部分组成。在谐振子的表面喷镀有金属薄层，以构成电极的一个极板。外基座内侧有16个激励电极，用来控制谐振子的振动频率、振幅、振型角和正交振动；内基座的外侧有8个检测电极，用来读取谐振子的谐振频率、振幅、振型角等状态，激励与检测电极在整个圆周内均匀分布。

三件套半球谐振陀螺对于加工及装配有较高的精度要求，制造成本过高，限制了半球谐振陀螺的应用市场，而两件式的半球谐振陀螺简化了器件结构，降低了装配难度及制造成本，有利于更高精度半球谐振陀螺的研制及应用领域的推广。但两件式半球谐振陀螺简化了器件结构的同时也带来了新的问题，由于结构的简化，导致驱动和检测需要共用同一电极，这就要求设计复杂的时分复用，频分复用以及电极复用电路从而实现利用同一电极实现谐振子的起振和检测。

图1示出了常见的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。从图中可以看出，传统的两件式半球谐振陀螺包括，陀螺壳体11、半球谐振子12、平板复用电极13、电信号引针14、陀螺外壳15和陀螺系统电路16。

本实施例在不改变两件式半球谐振陀螺大体的结构的基础上，通过改变原有底座的结构，在原有的底座上设置凸台，通过凸台，将驱动电极和检测电极分开设立。驱动电极设置于凸台的垂向面上与谐振子的内侧共同构成了电容。通过这样的结构，能够扩大驱动电极的面积，使其能够输出更高的电压电流，且随着接触面积的增大，也能够提供更大的驱动力使得谐振子能够更加快速地起振。

图2示出了本实施例的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图，从图中可以看出，相对于传统的两件式半球谐振陀螺的结构来说，本示例提供的两件式半球谐振陀螺通过在基座上设置凸台分隔驱动电极和检测电极，包括，陀螺壳体11、半球谐振子12、基座垂向面23、陀螺基座24、陀螺外壳15、陀螺系统电路16。需要说明的是，图中所示的结构仅为示意图，8个驱动电极以45°为间隔分布在基座垂向面23上。

一般来说，两件套半球谐振陀螺有两种工作模式，即力平衡模式或全角模式。在力平衡模式下，通过施加反馈力，控制振型的自由进动，使振型如同绑定在固定电极上一般，这个反馈力与外界施加的转速成一定的比例关系，通过该反馈力解算出方位角的变化。全角模式是利用谐振子驻波进动角度与载体转动角度呈正比这一物理特性，通过实时解算谐振振型的进动角度来直接读出载体的转动角度，满足了当前直接读出转动角度且不会引入累积误差的应用需求。同时，在全角工作模式中，谐振振型始终处于自由进动状态，所以较之于力平衡模式，其可以获得较大的动态范围，使半球谐振陀螺的动态范围得到显著提高。本实施例提供的半球谐振陀螺的工作模式即是全角模式。

具体来说，全角模式下谐振子的振型在外界输入角速度的作用下自由进动，而进动角速度与输入角速度成正比，矢量控制方式需要在保证波腹和波节稳定的基础上，通过解算谐振子振型的方位角，反演得到外界输入的角速度。因此从上文可以看出，解算驻波的方位角，对于提高陀螺仪的精确性具有重要的作用。

同时半球谐振子在不同振动模态下，环向波数、谐波频率均各不相同，环向波的个数

一般来说，谐振子有4个谐振模态，当谐振子谐振处于0阶谐振模态时，其谐振频率为4651Hz；当其处在1阶谐振模态时，谐振频率为4918Hz；处在2阶谐振状态时，谐振频率为12174Hz；3阶谐振状态时则为30569Hz。

当谐振子谐振模态阶数越大，对应的谐振频率也越大。但过高的谐振频率会增加后期数字化采样电路的精度要求，并且过高的谐振频率也会导致驻波输出信号的解调难度的提高。会让电路部分的驻波采样及处理电路设计难度增大。并且随着

当半球谐振子的振动模式处于二阶（

图3示出了本实施例中的振动模态处于二阶（

主振型一般是驱动电路通过驱动电极施加驱动电压使谐振子产生的谐振频率，并维持谐振状态后得到的驻波。在没有外界角速率输入的时候，半球谐振子的振型就是主振型。但是半球谐振子在振动时会围绕其中心轴产生旋转，这时从振型方向会敏感出新的振型，从振型方向在几何上与主振型方向成45º。因为主振型的波节点恰好是从振型的波腹点，所以在从振型的波腹方向上并不能检测到主振型的振动信号。同理，因为从振型的波节点恰好是主振型的波腹点，所以在主振型的波腹方向上并不能检测到从振型的振动信号。综上所述，从振型与主振型两个振动模态是相互独立的。主振型和从振型的叠加形成新的振动模态，就是半球谐振子绕中心轴发生旋转后产生的新振型。或者说，任何一种半球谐振子的实际振动模态都可以沿主振型和从振型方向上进行分解。

从上述内容可知，在无外界面输入转速的情况下，即静止状态下，波腹和波节相对于壳体稳定。半球谐振子在驱动电极输出电压的激励作用下，维持稳定的二阶态四波腹振荡。当外界面施加一定的转速时，半球谐振子由于绕中心轴旋转时产生的哥氏效应，从而使驻波位置相对于壳体发生反向进动。图4示出了当外界面施加一定的转速时的驻波进动变化示意图，从图中可以看出，当没有外界面施加运动时，谐振子31、波腹32和波节33维持在二阶振动模态上驻波41无变化，当外界面施加一定的转速时谐振陀螺的半球壳体会产生进动，该进动由谐振子振型相对于谐振子31产生，可以分为驻波进动42和壳体进动43，驻波进动42的进动角为

从上述内容可以看出，对于半球谐振陀螺来说，对检测电极检测得到的驻波输出电信号进行解调关系到半球谐振陀螺输出结果的准确性，为此本实施例提供了一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法，图5示出了本实施例的流程图。具体来说，包括如下步骤：

步骤1、检测电极上的输出信号经放大器放大后，输入自适应滤波器进行滤波，得到驻波输出信号。

具体来说，检测电极上的输出信号，可以包括以下子步骤：在陀螺基座水平面上设置有8个检测电极，将8个检测电极分为4组，每一组信号输出端设有信号放大器；将经过信号放大器放大的电信号，输入第一滤波器。

在本实施例中，半球谐振陀螺的基座水平面上设置有8个检测电极。图6示出了本实施例中平面检测电极的分布示意图，图中可以看出谐振子的下唇沿61和检测电极62的位置关系，其中P1~P8表示放置于不同角度的8个检测电极。如图所示，以

需要说明的是，本申请通过在基座上设置凸台，将驱动电极和检测电极分开设置，驱动电极以45°为间隔分布在基座凸台的侧面，而检测电极以45°为间隔分布在基座的水平面上。实现了在不改变两件式半球谐振陀螺的基本结构的基础上，同时输出驱动电压和实时检测，简化了电路设计结构，解决了传统两件式半球谐振陀螺中必须要设计复杂的频分、时分以及电极复用方案，简化了电路结构，提高了两件式半球谐振陀螺的可靠性。同时由于去除了复杂的频分、时分以及电极复用方案，能有效降低干扰，检测电极能够更加准确地检测谐振子的驻波的变化，更稳定地输出纯净的电信号，方便后续的信号解调。

具体来说，本实施中的自适应滤波器可以选用LMS自适应滤波器。LMS自适应滤波器作为一种基于最小均方算法的自适应数字滤波器，能够自适应地调整滤波器系数以适应输入信号的时变性和非线性变化。半球谐振陀螺通常用于军用以及航空航天领域，一般来说处于恶劣的工况下，这必然会导致大量的外部输入噪声。自适应滤波器能够通过根据实时误差来调整滤波器的参数，不断更新自身，从而对检测电极输出的待滤波信号进行最优化处理。

步骤2、根据谐振子工作状态的特点构建解调参考信号。

具体来说，构建解调参考信号可以包括：

，

其中，

步骤3、将驻波输出信号和解调参考信号输入乘法器得到幅值分量信号。

具体来说，幅值分量信号可以通过下式得到：

，

其中，

步骤4、将幅值分量信号输入低通滤波器进行滤波，将经过低通波器滤波后幅值分量信号输入运算电路解算幅值分量信号，得到相位差信息。

具体来说，低通滤波器通过允许低频信号通过而阻断高频信号，起到筛选掉高频部分的效果。在一些极端情况下自适应滤波器容易引入高频干扰，导致输出信号出现高频失真。为了保证输出信号的精确，本实施例通过在自适应滤波器后设置低通滤波器，对自适应滤波器的输出信号进行过滤，从而保证信号的稳定。而相位差信息可以由

步骤5、通过相位差信息计算方位角，并通过反演得到外界面输入的角速度。

具体来说，通过相位差信息计算方位角由下式得到：

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。