半球谐振陀螺仪自补偿控制系统及方法与流程

1.本发明涉及惯性仪表控制技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统及方法。


背景技术：

2.石英半球谐振陀螺仪是一种新型陀螺仪，其具有启动时间短、输出噪声低、使用寿命长、稳定性好的优点。
3.半球谐振陀螺仪由镀膜的石英半球谐振子和电极基座构成，受谐振子加工精度的制约，半球谐振陀螺谐振子的周向阻尼、谐振频率具有各向异性，致使驻波产生非线性漂移，且由于陀螺仪使用年限的增加以及工作环境变化，谐振子的各向异性也随之发生变化，从而影响陀螺仪使用精度。
4.通常使用离线标定方法，补偿谐振子各向异性导致的驻波非线性漂移。首先，令谐振子起振，并记录无控制状态谐振子驻波敏感外界输入角速度的曲线，再通过上位机对曲线进行拟合，将得到的参数代入陀螺仪的前馈补偿回路，实现驻波漂移的非线性补偿。
5.然而，若陀螺工作条件变化或工作年限增加，谐振子各项异性参数会产生变化，离线标定得到的前馈补偿模型会逐渐偏离，导致陀螺仪性能下降，无法克服环境变化及器件老化的影响，不能满足陀螺仪长期稳定工作的需求。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种球谐振陀螺仪自补偿控制系统及方法，实现陀螺仪的控制和驻波漂移非线性的自补偿过程，提高陀螺仪的性能和长期工作的稳定性。
7.本发明提供一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，包括如下步骤：s10、关闭陀螺仪，标定谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元的参数预设值；s20、开启陀螺仪，通过振动检测单元检测谐振子的振动信号，并通过信号解调单元根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；s30、通过角度追踪单元根据递归最小二乘算法对驻波角速度信号进行跟踪，结合s10步骤中的参数预设值，解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；s40、通过陀螺控制单元接收振动信号，并对振动信号进行运算及调制，获得控制信号；s50、通过施力补偿单元根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；s60、通过陀螺激励单元接收s40步骤中获得的控制信号和s50步骤中获得的施力补偿信号，并对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制，获得补偿控制信号，并将补偿控制信号传输至谐振子，完成陀螺仪的自补偿。
8.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s10步骤中，关闭陀螺仪
的陀螺控制单元，通过转台向陀螺仪输入外界角速度，拟合陀螺仪的初始状态的角度非线性漂移误差参数。
9.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s20步骤中，驻波角速度信号的计算式为：，其中，为谐振子振动驻波机械角度；为驻波角速度正弦分量幅值项；为驻波角速度正弦分量相位；为驻波角速度常值分量；为时间。
10.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s30步骤中，递归最小二乘算法的计算式为：，，，，，其中，为第时刻估计值向量；为第时刻被跟踪值；为第时刻观测值向量；为第时刻增益矩阵；为第时刻更新矩阵；为二阶单位矩阵；为递归最小二乘算法中的遗忘因子；
为离散时间。
11.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s60步骤中，通过陀螺激励单元将补偿控制信号转化为控制激励信号，并将控制激励信号传输至谐振子。本发明还提供一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，用以执行如上任一项所述的半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，包括谐振子、振动检测单元、信号解调单元、角度追踪单元、陀螺控制单元、施力补偿单元和陀螺激励单元，所述振动检测单元与所述谐振子电连接，用以检测接收谐振子的振动信号；所述信号解调单元与所述振动检测单元电连接，用以根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；所述角度追踪单元与所述信号解调单元电连接，用以对驻波角速度信号进行跟踪，并解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；所述陀螺控制单元与所述振动检测单元电连接，用以接收振动信号，并转换为控制信号；所述施力补偿单元与所述角度追踪单元电连接，用以根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；
12.所述陀螺激励单元分别与所述陀螺控制单元、所述施力补偿单元和所述谐振子电连接，用以接收控制信号和施力补偿信号，并转换为补偿控制信号传输至所述谐振子。
13.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，所述谐振子为金属化的熔融石英材质的谐振子。
14.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，所述振动检测单元和所述陀螺激励单元均设置为电极。
15.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，所述电极设置为非接触式电极，所述电极与所述谐振子构成电容器。
16.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，所述信号解调单元、所述角度追踪单元、所述陀螺控制单元和所述施力补偿单元均集成于fpga芯片上。
17.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统及方法，包括如下步骤：s10、关闭陀螺仪，标定谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元的参数预设值；s20、开启陀螺仪，通过振动检测单元检测谐振子的振动信号，并通过信号解调单元根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；s30、通过角度追踪单元根据递归最小二乘算法对驻波角速度信号进行跟踪，结合s10步骤中的参数预设值，解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；s40、通过陀螺控制单元接收振动信号，并对振动信号进行运算及调制，获得控制信号；s50、通过施力补偿单元根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；s60、通过陀螺激励单元接收s40步骤中获得的控制信号和s50步骤中获得的施力补偿信号，并对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制，获得补偿控制信号，并将补偿控制信号传输至谐振子，完成陀螺仪的自补偿，通过在线标定谐振子的角度非线性漂移误差参数，实时获取施力补偿信号，进而实现对半球谐振陀螺仪的驻波进行漂移实时解算补偿，保证陀螺仪的性能，提高陀螺仪长期工作的稳定性。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
20.图1是本发明提供的半球谐振陀螺仪自补偿控制方法的流程示意图。
21.图2是本发明提供的半球谐振陀螺仪自补偿控制系统的结构示意图。
22.附图标记：1、谐振子；2、电极；3、信号解调单元；4、角度追踪单元；5、施力补偿单元；6、陀螺控制单元；7、陀螺激励单元。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
24.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。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。
25.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
26.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
27.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性
表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
28.下面结合图1至图2描述本发明的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，包括如下步骤：s10、关闭陀螺仪，标定谐振子1的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子1的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元4的参数预设值；s20、开启陀螺仪，通过振动检测单元检测谐振子1的振动信号，并通过信号解调单元3根据振动信号提取谐振子1的驻波角速度信号；s30、通过角度追踪单元4根据递归最小二乘算法对驻波角速度信号进行跟踪，结合s10步骤中的参数预设值，解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；s40、通过陀螺控制单元6接收振动信号，并对振动信号进行运算及调制，获得控制信号；s50、通过施力补偿单元5根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；s60、通过陀螺激励单元7接收s40步骤中获得的控制信号和s50步骤中获得的施力补偿信号，并对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制，获得补偿控制信号，并将补偿控制信号传输至谐振子1，完成陀螺仪的自补偿。
29.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s10步骤中，关闭陀螺仪的陀螺控制单元6，通过转台向陀螺仪输入外界角速度，拟合陀螺仪的初始状态的角度非线性漂移误差参数。
30.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s20步骤中，驻波角速度信号的计算式为：，其中，为谐振子振动驻波机械角度；为驻波角速度正弦分量幅值项；为驻波角速度正弦分量相位；为驻波角速度常值分量；为时间。
31.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s30步骤中，递归最小二乘算法的计算式为：，，，
，，其中，为第时刻估计值向量；为第时刻被跟踪值；为第时刻观测值向量；为第时刻增益矩阵；为第时刻更新矩阵；为二阶单位矩阵；为递归最小二乘算法中的遗忘因子；为离散时间。
32.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，s60步骤中，通过陀螺激励单元将补偿控制信号转化为控制激励信号，并将控制激励信号传输至谐振子。
33.下面对本发明提供的半球谐振陀螺仪自补偿控制系统进行描述，下文描述的半球谐振陀螺仪自补偿控制系统与上文描述的半球谐振陀螺仪自补偿控制方法可相互对应参照。如图2所示，本发明还提供一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，用以执行如上任一项所述的半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，包括谐振子1、振动检测单元、信号解调单元3、角度追踪单元4、陀螺控制单元6、施力补偿单元5和陀螺激励单元7，振动检测单元与谐振子电连接，用以检测接收谐振子的振动信号；信号解调单元与振动检测单元电连接，用以根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；角度追踪单元与信号解调单元电连接，用以对驻波角速度信号进行跟踪，并解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；陀螺控制单元与振动检测单元电连接，用以接收振动信号，并转换为控制信号；施力补偿单元与角度追踪单元电连接，用以根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；
34.陀螺激励单元分别与陀螺控制单元、施力补偿单元和谐振子电连接，用以接收控制信号和施力补偿信号，并转换为补偿控制信号传输至谐振子。
35.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，谐振子为金属化的熔融
石英材质的谐振子。
36.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，振动检测单元和陀螺激励单元均设置为电极。
37.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，电极设置为非接触式电极2，电极2与谐振子1构成电容器。
38.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统，信号解调单元、角度追踪单元、陀螺控制单元和施力补偿单元均集成于fpga芯片上。
39.本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制方法，具体包括如下步骤：s10、关闭陀螺仪，标定谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元的参数预设值；具体的，在陀螺仪正式投入使用之前，将陀螺仪的陀螺控制单元关闭，通过转台向陀螺仪输入一个外界角速度，拟合陀螺仪输出值，即陀螺仪的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元的参数预设值。
40.s20、开启陀螺仪，通过振动检测单元检测谐振子的振动信号，并通过信号解调单元根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；具体的，开启陀螺仪，使陀螺仪正常运行，振动检测单元检测谐振子实际运行过程中的振动信号。本实施例中，振动检测单元为电极，如图2所示，电极包括0
°
电极和45
°
电极，实现对谐振子的振动的检测。
41.还需要说明的是，本实施例中，谐振子的材质为金属化的熔融石英，电极设置为非接触式电极，使得电极与谐振子之间构成电容器。
42.进一步地，通过信号解调单元根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号，计算式为：，其中，为谐振子振动驻波机械角度；为驻波角速度正弦分量幅值项；为驻波角速度正弦分量相位；为驻波角速度常值分量；为时间。
43.其中，基于信号解调单元3提取谐振子1的驻波角速度信号作为拟合已知量，代入上式中，反解获得、、之间的关系。需要说明的是，为谐振子振动驻波机械角度，也就是说谐振子1的驻波角相对于陀螺机械结构的偏移量，通过电极检测谐振子的模拟量，进而通过模数转换器将模拟量转换为数字量，可直接获取。
44.s30、通过角度追踪单元根据递归最小二乘算法对驻波角速度信号进行跟踪，结合s10步骤中的参数预设值，解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；具体的，递归最小二乘算法的计算式为：，
，，，，其中，为第时刻估计值向量；为第时刻被跟踪值；为第时刻观测值向量；为第时刻增益矩阵；为第时刻更新矩阵；为二阶单位矩阵；为递归最小二乘算法中的遗忘因子；为离散时间。
45.其中，通过对驻波角速度信号进行跟踪，有效缩小步骤ｓ10中角度追踪单元的参数预设值与驻波角速度信号之间的差值，提高解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数的真实性。
46.进一步地，将步骤ｓ20中获得的、、之间的关系代入递归最小二乘算法的计算式中，实现对、、初始值至实际值的收敛，再将跟踪收敛后的、、之间的关系式代入步骤ｓ20中的计算式中，解算获得谐振子的实际状态的角度非线性漂移误差参数。
47.需要说明的是，为保证角度追踪以及解算的稳定性，当陀螺仪外界输入角度过低时（可通过设置阈值实现），停止角度追踪单元的追踪，避免产生错误数据。
48.还需要说明的是，角度追踪单元解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数可与驻波角速度信号之间形成反馈，以提高解算精确度。
49.s40、通过陀螺控制单元接收振动信号，并对振动信号进行运算及调制，获得控制信号。本实施例中，通过ｐｉｄ控制器实现对振动信号的处理，获得控制信号，不再赘述。
50.s50、通过施力补偿单元根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号。其
中，预先在施力补偿单元设置常值施力信号，进而测量对陀螺仪施加常值施力信号时谐振子的驻波角速度信号（为常值），将常值施力信号与测量的常值驻波角速度信号做除法，获得增益，进而结合步骤ｓ20中的计算式，获得施力补偿信号。
51.s60、通过陀螺激励单元接收s40步骤中获得的控制信号和s50步骤中获得的施力补偿信号，并对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制，获得补偿控制信号，并将补偿控制信号传输至谐振子，完成陀螺仪的自补偿。具体的，本实施例中，陀螺激励单元设置为电极，通过电极将补偿控制信号转化为控制激励信号，并将控制激励信号传输至谐振子，实现对谐振子的控制激励，进而完成对陀螺仪的控制驻波漂移非线性的自补偿。其中，对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制是指将控制信号与施力补偿信号进行相加，所得和为补偿控制信号。
52.需要说明的是，陀螺激励单元用以驱动谐振子振动。
53.还需要说明的是，本实施例中，信号解调单元、角度追踪单元、陀螺控制单元和施力补偿单元均集成于fpga芯片上。
54.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的一种半球谐振陀螺仪自补偿控制系统及方法，包括如下步骤：s10、关闭陀螺仪，标定谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数，并将谐振子的初始状态的角度非线性漂移误差参数作为角度追踪单元的参数预设值；s20、开启陀螺仪，通过振动检测单元检测谐振子的振动信号，并通过信号解调单元根据振动信号提取谐振子的驻波角速度信号；s30、通过角度追踪单元根据递归最小二乘算法对驻波角速度信号进行跟踪，结合s10步骤中的参数预设值，解算获得谐振子的角度非线性漂移误差参数；s40、通过陀螺控制单元接收振动信号，并对振动信号进行运算及调制，获得控制信号；s50、通过施力补偿单元根据角度非线性漂移误差参数计算生成施力补偿信号；s60、通过陀螺激励单元接收s40步骤中获得的控制信号和s50步骤中获得的施力补偿信号，并对控制信号和施力补偿信号进行预算及调制，获得补偿控制信号，并将补偿控制信号传输至谐振子，完成陀螺仪的自补偿，通过在线标定谐振子的角度非线性漂移误差参数，实时获取施力补偿信号，进而实现对半球谐振陀螺仪的驻波进行漂移实时解算补偿，保证陀螺仪的性能，提高陀螺仪长期工作的稳定性。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。