CN109827594B - 基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***，包括轴对称谐振子、陀螺仪驱动与检测模态控制子***、面内模态旋转控制***，陀螺仪驱动与检测模态控制子***包括驱动模态控制部分与检测模态控制部分，驱动模态控制部分用以保持谐振子驱动方向工作于谐振状态，检测模态控制部分用于平衡哥氏效应产生的驻波进动，并将平衡电压作为角速度的测量结果进行输出。与传统IMU的旋转调制相比，本发明所述方法无需旋转机构，不额外增加陀螺仪机构复杂度，具有体积小、成本低的优势。与已有基于模态反转的轴对称陀螺仪零偏抑制技术相比，本发明所述方法无需模态反转的切换时间，可实现对外界角速度的不间断敏感。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪领域，具体是一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***及方法。
背景技术
陀螺仪是一种测量物体旋转角速度的传感器，是惯性测量领域的核心元件，在民用和军用领域都有十分重要的应用，尤其在军用领域，陀螺仪在越来越智能化的武器设备中都是不可或缺的。零位漂移是陀螺仪面临的恶化陀螺仪精度的关键因素。目前，大多数陀螺仪都采用标定的方法进行零漂的补偿。但由于陀螺仪的零漂与环境因素的关系存在一定的不确定性，在利用一般的方法进行标定补偿时，常面临重复性的挑战，故而极大的限制了补偿的可靠性。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***及方法。
技术方案：本发明所述的一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***，包括轴对称谐振子、陀螺仪驱动与检测模态控制子***、面内模态旋转控制***，陀螺仪驱动与检测模态控制子***包括驱动模态控制部分与检测模态控制部分，驱动模态控制部分用以保持谐振子驱动方向工作于谐振状态，检测模态控制部分用于平衡哥氏效应产生的驻波进动，并将平衡电压作为角速度的测量结果进行输出。
其中，所述面内模态旋转控制***包括旋转矩阵解算算法模块和面内模态旋转控制***；旋转矩阵解算算法模块用于实现电极坐标系与旋转坐标系间转换，将面内模态旋转控制***在旋转坐标系下进行设计，与陀螺仪驱动与检测模态控制子***建立直接联系，并将旋转坐标系下的输出作为***的检测输出；面内模态旋转控制***利用面内模态的正反旋转，消除面内模态旋转所引入的检测零位。
本发明还提供一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：在陀螺仪驱动与检测模态控制子***和面内模态旋转控制***的共同作用下，轴对称谐振子驻波运动轴向以缓慢角速度Ωr旋转；
陀螺仪谐振子运动方程为：
步骤2：利用面内模态旋转控制***中面内模态正反旋转控制器，实现面内模态旋转正反变换；
步骤3：通过面内模态旋转控制***中旋转矩阵解算算法模块，实现将陀螺仪驱动与检测模态控制子***中电极坐标系下的谐振子位移信号vx、vy转换为旋转坐标系下的谐振子位移信号rd、rs；
此时，谐振子机械误差所形成的零位为：
步骤4：利用信号解调的手段抑制由于谐振子结构误差所形成的零位漂移，消除由于面内模态旋转所引入的检测零位，并输出***测量结果。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
(1)与传统IMU的旋转调制相比，本发明所述方法无需旋转机构，不额外增加陀螺仪机构复杂度，具有体积小、成本低的优势。
(2)与已有基于模态反转的轴对称陀螺仪零偏抑制技术相比，本发明所述方法无需模态反转的切换时间，可实现对外界角速度的不间断敏感。
附图说明
附图1是基于面内模态旋转调制的轴对称陀螺仪零位自补偿***框图；
附图2是轴对称谐振子面内模态旋转示意图(n＝2)；
附图3是陀螺仪驱动与检测模态控制子***；
附图4是面内模态旋转控制***。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明的基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***及方法，具体实施理论如下：
轴对称陀螺仪谐振子谐波数为n的运动方程可表示为：
式中，Pτ和Pω为x、y至阻尼主轴θτ和刚度主轴θω的旋转矩阵；
τ1,2和ω1,2分别是时间常数和谐振频率；η为进动系数。理想情况下，谐振子两轴参数相同，主轴方向是任意的；而加工误差以及环境因素将导致轴间耦合以及主轴方向不可控。
当谐振子驻波在施力电极控制下以缓慢角速度Ωr旋转时，谐振子的位移为：
r＝PrL (2)
其中L＝[x y]T是谐振子在xy坐标系下的位移，r＝[rd rs]T是谐振子在旋转坐标系下的位移，Pr为xy坐标系至rd rs坐标系的变换矩阵：
结合式(1)与式(2)可得：
其中，
由式(3)易得，在面内模态旋转调制下，谐振子机械误差所形成的零位为：
故而，由上式得，通过面内模态旋转技术，谐振子结构误差所引入的零位将被调制至2nΩr频率，可有效抑制零位漂移。
具体地，如图1所示，本发明的基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿***，包括轴对称谐振子1、陀螺仪驱动与检测模态控制子***2、面内模态旋转控制***3。
轴对称谐振子1适用于环型、盘型、碟形、半球型、钟型等谐振子，如图2所示即为环型谐振子(n＝2)面内模态旋转的示意图，其在控制***作用下，谐振子驻波运动轴向以缓慢角速度Ωr旋转，同时驱动方向rd的振幅维持为A，检测方向rs保持静态。
陀螺仪驱动与检测模态控制子***2如图3所示，其包括陀螺仪驱动模态控制器2a和陀螺仪检测模态控制器2b两个部分。在陀螺驱动模态控制器2a中，驱动位移信号x通过C/V转换器2a1、放大滤波器2a2输出为电信号vx，再由面内模态旋转控制***3的旋转解算矩阵3b1转化为旋转坐标系rd，后重新输入陀螺仪驱动与检测模态控制子***2，经相位控制器2a3和幅度控制器2a4输出为信号r′d，再经旋转解算矩阵的转置矩阵362重新变为电极信号sx，输入电压/加速度转换器2a5中，将电信号转换为驱动激励信号ax，输入谐振子来保持谐振子驱动方向工作于谐振状态。在检测模态控制器中，驱动位移信号y通过C/V转换器2b1、放大滤波器2b2输出为电信号vy，再由面内模态旋转控制***3的旋转解算矩阵3b1转化为旋转坐标系rs，后重新输入陀螺仪驱动与检测模态控制子***2，经相敏解调器2b3、相位及正交控制器2b4输出信号r′s，再经旋转解算矩阵的转置矩阵3b2重新变为电极信号sy，输入电压/加速度转换器2b5中，将电信号转换为检测激励信号ay，输入谐振子来平衡哥氏效应产生的驻波进动，同时检测模态控制器输出角速度的测量结果
。其中2a1与2b1，2a2与2b2，2a5与2b5结构相同。
面内模态旋转控制***如图4所示，其主要包括面内模态正反旋转控制器3a和旋转矩阵解算算法3b两个部分。通过旋转解算矩阵Pr，实现电极坐标系与旋转坐标系间转换，将控制***在旋转坐标系下进行设计，可与陀螺仪驱动与检测模态控制子***2建立直接联系。面内模态旋转控制***3工作时，由陀螺仪驱动与检测模态控制子***2将驱动与检测位移信号x、y经C/V转换器2a1、2b1和放大滤波器2a2、2b2后输出为电信号vx、vy，经旋转解算矩阵3b1，将电极坐标系转化为旋转坐标系rd、rs，后重新输入陀螺仪驱动与检测模态控制子***2进行后续处理，处理完后的信号r′d与r′s经旋转解算矩阵的转置矩阵3b2重新变为电极信号sx、sy，再次进入陀螺仪驱动与检测模态控制子***2进行处理，形成闭环控制。
而根据理论及仿真计算，模态旋转引入了一个仅与η，η几乎不受环境影响，以及和nΩr有关的零位，为此，引入面内模态的正反旋转机制，以抵消该误差。如图4所示，面内模态旋转控制器给出一定周期的正反旋转指令，旋转矩阵解算算法模块以此确定旋转矩阵以及旋转转置矩阵。
Claims (1)
1.一种基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿方法，其特征在于：包括轴对称谐振子、陀螺仪驱动与检测模态控制子***、面内模态旋转控制***，陀螺仪驱动与检测模态控制子***包括驱动模态控制部分与检测模态控制部分，驱动模态控制部分用以保持谐振子驱动方向工作于谐振状态，检测模态控制部分用于平衡哥氏效应产生的驻波进动，并将平衡电压作为角速度的测量结果进行输出；
所述面内模态旋转控制***包括旋转矩阵解算算法模块和面内模态旋转控制***；旋转矩阵解算算法模块用于实现电极坐标系与旋转坐标系间转换，将面内模态旋转控制***在旋转坐标系下进行设计，与陀螺仪驱动与检测模态控制子***建立直接联系，并将旋转坐标系下的输出作为***的检测输出；面内模态旋转控制***利用面内模态的正反旋转，消除面内模态旋转所引入的检测零位；
该方法包括以下步骤：
步骤1：在陀螺仪驱动与检测模态控制子***和面内模态旋转控制***的共同作用下，轴对称谐振子驻波运动轴向以缓慢角速度Ωr旋转；
陀螺仪谐振子运动方程为：
步骤2：利用面内模态旋转控制***中面内模态正反旋转控制器，实现面内模态旋转正反变换；
步骤3：通过面内模态旋转控制***中旋转矩阵解算算法模块，实现将陀螺仪驱动与检测模态控制子***中电极坐标系下的谐振子位移信号vx、vy转换为旋转坐标系下的谐振子位移信号rd、rs；
此时，谐振子机械误差所形成的零位为：
步骤4：利用信号解调的手段抑制由于谐振子结构误差所形成的零位漂移，消除由于面内模态旋转所引入的检测零位，并输出***测量结果。
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