基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺，尤其涉及一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法。

背景技术

半球谐振陀螺是基于哥氏效应敏感外界角速度。相比传统机械陀螺，它结构简单，核心工作部件只有石英谐振子和电极基座，并且依靠微幅振动工作，无机械磨损，使其具有造价低、可靠性高、寿命长的特点。中国虽然是为数不多的能完全自主生产半球谐振陀螺的国家之一，但所生产的陀螺在性能、一致性等方面与美国、法国、俄罗斯等相比还存在差距，为了缩小国产陀螺与世界领先水平的差距，一方面要对陀螺和谐振子制造、加工工艺进行突破，另一方面则要对陀螺控制中伺服电路检测精度和检测速度提出更高的要求。

数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一个离散时间系统或算法单元，通过对数字代码进行运算处理改变信号频谱，广泛应用的有IIR（InfiniteImpulseResponse，无限脉冲响应）和FIR(FiniteImpulseResponse，有限脉冲响应）数字滤波器两种。IIR数字滤波器幅频特性精度很高；而FIR滤波器具有线性相位延迟。如何通过数字滤波得到幅频特性精度高，且线性相位无延迟的正弦波幅度相位是亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种通过数字滤波得到幅频特性精度高，且线性相位无延迟的基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，包括如下步骤：

将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行乘法解调，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分，所述信号滤波使用IIR滤波器。

优先的，将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号的方法为：

将半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为二维摆，在恒定的外角速率下，其重心 轨迹呈椭圆型，其中a为椭圆半长轴，主波振幅、q为椭圆半短轴，正交波振幅、θ为半长轴转 角，驻波进动角、

其中，

优先的，对数字信号进行乘法解调方法为相敏解调法，

采用陀螺振动信号公式（1）与参考信号

谐振子振型与参考信号的同相部分和正交部分分别在x、y上的分量为：

优先的，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分方法为：根据公式(2)(3)(4)(5),通过滤波滤掉二倍频信号后得到。

优先的，两个电极输出的正弦波的幅值和相位根据(10)(11)(12)(13)获得。

优先的，所述IIR滤波器为级联型IIR滤波器，其传递函数

其中

优先的，所述IIR滤波器为IIR型低通滤波器，方法采用椭圆滤波器，采样频率设置为125KHz，通带频率设为50Hz，阶数选为2阶，通带增益为1，阻带增益-80dB，系数采用64位定点数，小数部分用40位表示。

优先的，所述IIR滤波器的FPGA实现方法：

根据公式(14)和设计参数，得到传递函数形式为

对于二阶IIR，使用直接I型结构加以实现，将传递函数表示为差分方程:

其中

本发明的有益效果是：

本发明通过相敏解调法其算法原理较为传统，一般通过滤波器滤除二倍频项或者通过频谱分析法估计其直流分量。采用FIR滤波器去除二倍频相，为保证滤波效果，滤波器阶数普遍在100阶以上，因此，有效信息输出延时较大；所以本方法采用IIR滤波器，具有阶数小，延迟小的特点，基于IIR滤除解调带来的二倍频信号，可以降低信号的延迟，提高陀螺振动位移参数解算的精度。与传统的基于FIR滤波算法相比，在取得相同精度及噪声水平的同时，其延时降低10倍，FPGA内部硬件资源消耗降低10倍左右。

附图说明

图1是本发明的谐振运动轨迹模型示意图。

图2是本发明的谐振陀螺信号处理流程示意图。

图3是本发明的IIR滤波器参数设置示意图。

图4是本发明的IIR滤波器实现结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于半球谐振陀螺的工作原理，在FPGA内部采用IIR滤波算法，获取陀螺振动位移信号信息。

本发明的技术解决方案：

基于半球谐振陀螺IIR滤波方法，实现陀螺信号的提取。实现方式如下：

将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行乘法解调，通过滤波器滤除二倍频的信号成分。其中，信号滤波环节使用IIR滤波器。

本发明的优点和积极效果是：

本发明基于IIR滤除解调带来的二倍频信号，可以降低信号的延迟，提高陀螺振动位移参数解算的精度。与传统的基于FIR滤波算法相比，在取得相同精度及噪声水平的同时，其延时降低10倍，FPGA内部硬件资源消耗降低10倍左右。

本发明包括以下步骤：

1.获得陀螺电极原始信号：

半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为一个二维摆。在恒定的外角速率下，其重 心轨迹呈椭圆型，如图1所示，其中a为椭圆半长轴（主波振幅）、q为椭圆半短轴（正交波振 幅）、θ为半长轴转角（驻波进动角）、

为了获得谐振子运动状态，在x、y方向上分别设置谐振子检测电极，并采用锁相环作为外部参考信号发生器以跟踪谐振子的运动。谐振子在x、y方向上运动方程为

其中，

2.电极信号的解调：

相敏解调法通常采用陀螺振动信号与参考信号

谐振子振型与参考信号的同相部分和正交部分分别在x、y上的分量为：

3.信号的幅值与相位计算

获得高精度、低噪声的陀螺振动位移信号

根据公式(2)(3)(4)(5),通过滤波滤掉二倍频信号后得到

两个电极输出的正弦波的幅值和相位即可根据(10)(11)(12)(13)获得。

其中，IIR滤波器的参数设计:

IIR滤波器，即无限脉冲响应滤波器。IIR滤波器同时存在不为零的极点和零点。要 保证滤波器为稳定的系统，需要使系统的极点在单位圆内，也就是说系统的稳定性由系统 函数的极点决定。级联型IIR滤波器其传递函数

相敏解调法其算法原理较为传统，一般通过滤波器滤除二倍频项或者通过频谱分析法估计其直流分量。采用FIR滤波器去除二倍频相，为保证滤波效果，滤波器阶数普遍在100阶以上，因此，有效信息输出延时较大；所以本方法采用IIR滤波器，具有阶数小，延迟小的特点。

数字滤波器采用Matlab的fdatool设计完成，设计界面如图2所示。数字滤波器类 型选为IIR型低通滤波器，方法采用椭圆滤波器（Elliptic）。因为陀螺振动信号为5kHz左 右，经过解调后产生2倍频的信号为10kHz，根据奈奎斯特定理和工程应用经验，将采样频率 设置为信号最高频率的5~10倍，所以将采样频率设置为125KHz。我们进行滤波的目的是要 滤除交流的高频分量及其他噪声，陀螺信号经过解调滤波后获得直流分量

IIR滤波器的FPGA实现过程为：

根据公式(14)和Matlab的FDAtool设计的参数，得到传递函数形式为

对于二阶IIR，使用直接I型结构加以实现，如图3所示。将传递函数表示为差分方程:

其中

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。