一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法及相关组件

技术领域

本发明涉及频率裂解确定领域，特别是涉及一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法及相关组件。

背景技术

在陀螺仪工作时陀螺仪中的谐振子维持在二阶振动状态，谐振子的运动可以理解为两个自由度谐振振动的叠加。理想谐振子的两个自由度谐振振动具有相同的振动频率，频率裂解为0。但实际上由于材料、加工以及装配等的不对称性，导致谐振子的两个自由度谐振振动具有不同的本征角频率，使得频率裂解不为0。当谐振子在两个自由度振动的本征角频率越接近时，陀螺仪的频率裂解越小，陀螺仪的灵敏度越高，可见频率裂解是判断一个陀螺仪性能好坏的重要参数。因此，提供一种能够快速且高精度的确定频率裂解的方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法及相关组件，能够根据陀螺仪的正交控制力的峰峰值确定频率裂解，具有精度高、可靠性好且求解速度快的优点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法，包括：

确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；

对所述谐振子施加激励力以控制所述谐振子振动到预设幅度值，根据所述激励力对应的激励力控制量的幅值、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及所述衰减时间常数确定所述激励力控制量的幅值与所述激励力的幅值之间的转换系数；

控制所述陀螺仪运行在全角模式且所述谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取所述谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；

根据所述正交控制力的峰峰值、所述转换系数、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定所述陀螺仪的频率裂解。

可选的，所述确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数，包括：

控制所述陀螺仪中的谐振子振动到第一预设幅度值之后，将施加在所述谐振子上的力撤销以确定所述谐振子的幅度衰减曲线，并对所述幅度衰减曲线进行拟合以确定所述衰减时间常数。

可选的，将施加在所述谐振子上的力撤销以确定所述谐振子的幅度衰减曲线，并对所述幅度衰减曲线进行拟合以确定所述衰减时间常数，包括：

将施加在所述谐振子上的力撤销，确定将施加在所述谐振子上的力撤销后所述谐振子的第一动力学方程，所述第一动力学方程为：

利用待定系数法求解所述第一动力学方程以得到所述幅度衰减曲线的拟合方程，所述幅度衰减曲线的拟合方程为：

基于所述幅度衰减曲线的拟合方程确定所述衰减时间常数。

可选的，对所述谐振子施加激励力以控制所述谐振子振动到预设幅度值，根据所述激励力对应的激励力控制量的幅值、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及所述衰减时间常数确定所述激励力控制量的幅值与所述激励力的幅值之间的转换系数，包括：

确定对所述谐振子施加所述激励力后所述谐振子对应的第二动力学方程，所述第二动力学方程为：

利用待定系数法求解所述第二动力学方程以得到所述谐振子的振动稳态解，所述谐振子的振动稳态解为：x＝a

将所述谐振子的振动稳态解代入所述谐振子对应的第二动力学方程中，以确定检测的所述谐振子的稳定振动幅度值与所述激励力的幅值之间的对应关系；

基于所述谐振子的稳定振动幅度值与所述激励力的幅值之间的对应关系确定预设转换系数关系式；

将所述激励力对应的激励力控制量的幅值、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及所述衰减时间常数输入到预设转换系数关系式中，通过所述预设转换系数关系式求取所述转换系数。

可选的，确定检测的所述谐振子的稳定振动幅度值与所述激励力的幅值之间的对应关系，包括：

确定所述谐振子的稳定振动幅度值与所述激励力的幅值之间的对应关系为：

其中,λ*n

可选的，根据所述正交控制力的峰峰值、所述转换系数、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定所述陀螺仪的频率裂解，包括：

将所述正交控制力的峰峰值、所述转换系数、所述激励力的角频率、所述谐振子的振动幅度值代入所述预设频率裂解公式，将所述预设频率裂解公式的解作为所述陀螺仪的频率裂解；

所述预设频率裂解公式为

为解决上述技术问题本申请还提供了一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量系统，包括：

衰减时间常数确定单元，用于确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；

转换系数确定单元，用于对所述谐振子施加激励力以控制所述谐振子振动到预设幅度值，根据所述激励力对应的激励力控制量的幅值、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及所述衰减时间常数确定所述激励力控制量的幅值与所述激励力的幅值之间的转换系数；

正交控制力峰峰值确定单元，用于控制所述陀螺仪运行在全角模式且所述谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取所述谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；

频率裂解确定单元，用于根据所述正交控制力的峰峰值、所述转换系数、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定所述陀螺仪的频率裂解。

可选的，所述频率裂解确定单元具体用于：

将所述正交控制力的峰峰值、所述转换系数、所述激励力的角频率、所述谐振子的稳定振动幅度值代入所述预设频率裂解公式，将所述预设频率裂解公式的解作为所述陀螺仪的频率裂解；

所述预设频率裂解公式为

为解决上述技术问题本申请还提供了一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的步骤。

为解决上述技术问题本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的步骤。

本申请的有益效果在于提供了一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法及相关组件，首先确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；对谐振子施加激励力以控制谐振子振动到预设幅度值，根据激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数确定激励力控制量的幅值与激励力的幅值之间的转换系数；控制陀螺仪运行在全角模式且谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；根据正交控制力的峰峰值、转换系数、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定陀螺仪的频率裂解，具有精度高、可靠性好且求解速度快的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的流程图；

图2为本申请提供的一种陀螺仪的谐振子的衰减幅度曲线图；

图3为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量系统的结构示意图；

图4为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量装置的结构示意图；

图5为本发明提供的一种计算机可读存储介质的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法及相关组件，能够根据陀螺仪的正交控制力的峰峰值确定频率裂解，具有精度高、可靠性好且求解速度快的优点。

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。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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的流程图，该方法包括：

S1：确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；

S2：对谐振子施加激励力以控制谐振子振动到预设幅度值，根据激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数确定激励力控制量的幅值与激励力的幅值之间的转换系数；

S3：控制陀螺仪运行在全角模式且谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；

S4：根据正交控制力的峰峰值、转换系数、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定陀螺仪的频率裂解。

本申请中确定陀螺仪的频率裂解时不同于以往的从叠加信号的演化中获取频率裂解的信息，本申请采用控制时正交控制力的峰峰值的大小确定频率裂解的值。通过控制谐振子振动到一定幅度值，撤掉所有力，可以观测谐振子的幅度衰减曲线，并对幅度衰减曲线拟合以得到衰减时间常数；将谐振子控制到特定幅度(也即预设幅度值)以得到激励力控制量的幅值和激励力的幅值之间的转换系数；将陀螺仪控制在全角模式，利用转台或者使用虚拟进动控制方式，使谐振子振动型态为绕对称轴进动，谐振子进动过程中正交控制力呈正弦变化，由正交控制力的峰峰值利用预设频率裂解公式即可求得频率裂解，具有精度高、可靠性好且求解速度快的优点。还需要说明的是，本申请中的陀螺仪为科氏振动陀螺仪。

本申请确定衰减时间常数的具体过程为：控制陀螺仪中的谐振子振动到第一预设幅度值之后，将施加在谐振子上的力撤销以确定谐振子的幅度衰减曲线，并对幅度衰减曲线进行拟合以确定所述衰减时间常数。具体的，对简谐振子引入阻尼，阻尼可以用衰减时间常数τ描述，阻尼谐振子的第一动力学方程可表示为：

在此基础上，本申请确定施加在谐振子上的激励力控制量与激励力之间的转换系数的具体过程为：对阻尼谐振子施加激励力使谐振子发生受迫振动。假设激励力的幅度为f

当ω

显然，阻尼谐振子的稳定振动幅度a

更进一步的，谐振式陀螺仪通常可等效为两个在主轴方向振动的简谐振子运动的叠加。实际情况中，两个刚度主轴方向的谐振子的本征振动频率不一样，两者的差别即为频率裂解。此外，通常谐振陀螺的阻尼不对称性不大，因此可以认为阻尼是均匀的。本申请还进一步在刚度轴方向和电极检测方向一致和不一致这两种情况均进行了频率裂解的分析，具体如下：

在刚度轴方向和电极检测方向一致时，当谐振陀螺的刚度轴方向和电极方向一致时，谐振子在两个自由度通道对应的两个方程是独立的：

阻尼均匀对应两个自由度的τ是相同的，x通道和y通道的本征角频率分别为ω

假设将谐振子控制在α角度，即

显然如果取两个通道的力为上述方程右侧所示，则控制达到要求。另外，谐振陀螺控制时，幅度控制力超前检测信号相位

其中ω

控制的时候，本申请采用的策略是：

将理论式和控制式对应起来，得到幅度控制力为

同时得到正交控制力的方程为

基于上式可得

F

考虑正交控制力的幅值实际为n

ω

此外，若考虑刚度主轴方向与电极方向不一致时，存在夹角θ

其中

可见，θ

综上，预设频率裂解公式为

还需要说明的是，当陀螺仪的频率裂解比较小时，阻尼不均匀以及环境波动对相关技术中确定陀螺仪的频率裂解的方式带来的影响会非常明显，波动性很大，可靠性一般。而本申请提供的高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的效率高，等待时间短，精度高，可靠性好，不受外界转速的影响，可以快速的进行多次测量。并且在陀螺仪以全角模式运行中可以对陀螺仪的频率裂解进行实时观察，记录陀螺仪的频率裂解是否存在变化，便于分析陀螺仪的特性。

综上，本申请提供了一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法，首先确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；对谐振子施加激励力以控制谐振子振动到预设幅度值，根据激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数确定激励力控制量的幅值与激励力的幅值之间的转换系数；控制陀螺仪运行在全角模式且谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；根据正交控制力的峰峰值、转换系数、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定陀螺仪的频率裂解，具有精度高、可靠性好且求解速度快的优点。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选的实施例，确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数，包括：

控制陀螺仪中的谐振子振动到第一预设幅度值之后，将施加在谐振子上的力撤销以确定谐振子的幅度衰减曲线，并对幅度衰减曲线进行拟合以确定衰减时间常数。

具体的，确定将施加在谐振子上的力撤销后谐振子的第一动力学方程，第一动力学方程为：

利用待定系数法求解第一动力学方程以得到幅度衰减曲线的拟合方程，幅度衰减曲线的拟合方程为：

基于所述幅度衰减曲线的拟合方程确定所述衰减时间常数。

在本实施例中，通过对简谐振子引入阻尼，确定谐振子的幅度衰减曲线，然后再实现衰减时间常数的计算。阻尼用时间常数τ描述，阻尼谐振子的动力学方程可表示为：

用待定系数法求解方程，令解为

考虑sin和cos之间的正交性，将方程可分解为

得到

作为一种可选的实施例，对谐振子施加激励力以控制谐振子振动到预设幅度值，根据激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数确定激励力控制量的幅值与激励力的幅值之间的转换系数，包括：

确定对谐振子施加激励力后谐振子对应的第二动力学方程，第二动力学方程为：

利用待定系数法求解第二动力学方程以得到谐振子的振动稳态解，谐振子的振动稳态解为：x＝a

将谐振子的振动稳态解代入谐振子对应的第二动力学方程中，以确定检测的谐振子的稳定振动幅度值与激励力的幅值之间的对应关系；

基于谐振子的稳定振动幅度值与激励力的幅值之间的对应关系确定预设转换系数关系式；

将激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数输入到预设转换系数关系式中，通过预设转换系数关系式求取转换系数。

在本实施例中，为了确定转换系数，对阻尼谐振子进一步施加激励力，使得谐振子发生受迫振动。假设激励力的幅度为f

用待定系数法求解方程的稳态解。令谐振子的振动稳态解为x＝a

代入动力学方程可得：

考虑sin和cos之间的正交性，方程可分解为：

当ω

显然，阻尼谐振子的稳定振动幅度a

请参照图3，图3为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量系统的结构示意图，该高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量系统包括：

衰减时间常数确定单元11，用于确定陀螺仪中的谐振子引入阻尼时的衰减时间常数；

转换系数确定单元12，用于对谐振子施加激励力以控制谐振子振动到预设幅度值，根据激励力对应的激励力控制量的幅值、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及衰减时间常数确定激励力控制量的幅值与激励力的幅值之间的转换系数；

正交控制力峰峰值确定单元13，用于控制陀螺仪运行在全角模式且谐振子的振动型态为绕对称轴进动，并获取谐振子进动过程中的正交控制力的峰峰值；

频率裂解确定单元14，用于根据正交控制力的峰峰值、转换系数、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值以及预设频率裂解公式确定陀螺仪的频率裂解。

对于本申请提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量系统的详细介绍请参照上述高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的实施例，本申请在此不做赘述。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选的实施例，频率裂解确定单元14具体用于：

将正交控制力的峰峰值、转换系数、激励力的角频率、谐振子的稳定振动幅度值代入预设频率裂解公式，将预设频率裂解公式的解作为陀螺仪的频率裂解；

预设频率裂解公式为

请参照图4，图4为本发明提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量装置的结构示意图，该高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量装置包括：

存储器21，用于存储计算机程序；

处理器22，用于执行计算机程序时实现上述任一项高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的步骤。

对于本申请提供的一种高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量装置的详细介绍请参照上述高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的实施例，本申请在此不做赘述。

请参照图5，图5为本申请提供的一种计算机可读存储介质的结构示意图，计算机可读存储介质31上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一项高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的步骤。

对于本申请提供的计算机可读存储介质31的详细介绍请参照上述高精度高效率谐振陀螺频率裂解测量方法的实施例，本申请在此不做赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。