[發明專利]MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀組合測量方法

有效

• 申請號: 201710179911.9
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN106840155B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 李醒飛;吳騰飛;紀越;周新力
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀組合測量方法，其特征是，包括的步驟有：傳感器模型的建立、標度因數的統一、FIR低通濾波器處理、“相位補償高通濾波器”處理；具體地：

所述傳感器模型的建立是分別計算MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的幅頻響應，得到相應的傳遞函數；

所述標度因數的統一是將高精度陀螺儀的標度與MHD角速度傳感器的標度因數化為一致；

所述FIR低通濾波器處理是對標度因數經過統一的高精度陀螺儀進行FIR低通濾波器處理，實現對高精度陀螺儀無用高頻信號的濾除，實現噪聲水平的降低；

所述“相位補償高通濾波器”處理是根據MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的模型，設計相應的“相位補償高通濾波器”，對MHD角速度傳感器進行濾波處理，改變其傳遞函數的零點與極點，將處理后的輸出與高精度陀螺儀輸出相加，得到幅值與相位在全頻帶保持一致的輸出；

其中，MHD角速度傳感器的復頻域模型表示為：

G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)G₄(s) (1)

G₁(s)表示表頭部分模型則：

其中B₀表示永磁體提供的外磁場磁場強度，r表示流體通道半徑均方根，w表示流體通道的有效寬度，v表示磁流體的運動粘度系數，H表示哈特曼常數，h表示磁流通道的高度，s表示復頻域變量或拉普拉斯算子；

G₂(s)表示初級放大電路模型,G₃(s)表示濾波電路模型：G₄(s)表示次級放大電路模型,

經計算化簡可得傳感器模型為：

其中a、b、c、d、K均為常數；

高精度陀螺儀的復頻域模型簡化為(4)式的形式：

其中α、β、k均為常數，經過離散化處理，得到簡化模型為(5)式的形式；

其中α₁、β₁均為常數，z為Z-transform變換變量；

將MEMS陀螺儀的標度因數與MHD角速度傳感器的標度因數化為一致，具體方式為：

ω'_gyro＝ω_gyrok_MHD/k_gyro (6)

其中ω_gyro表示MEMS陀螺儀的輸出，ω′_gyro表示MEMS陀螺儀標度因數與MHD角速度傳感器標度因數化為一致后的輸出,k_MHD表示MHD角速傳感器的標度因數，k_gyro表示高精度陀螺儀的標度因數；

“相位補償高通濾波器”設計的方法如下：將標度因數化為一致的高精度陀螺儀與MHD角速度傳感器的傳遞函數相加，得到融合后新的傳遞函數如式(7)：

G_fused(z)＝G_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (7)

通過“相位補償高通濾波器”調整MHD角速度傳感器的傳遞函數G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)，再將調整零極點后的MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的傳遞函數相加得式(8)

G'_fused(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (8)

使此時得到的G'_fused(z)兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處增益保持一致；

調整MHD角速度傳感器的傳遞函數G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)的方法如下：

MHD角速度傳感器低頻性能不佳主要原因是傳感器受到導電流體粘滯力與電磁力的影響，而轉換到MHD角速度傳感器的模型中，影響傳感器低頻性能的部分主要體現在表頭部分G₁(s)，假設參數a是表頭部分的參數，那么經過離散化處理后，影響傳感器低頻性能的極點變為h與零點f；

MHD角速度傳感器的離散化后傳遞函數為式(9)：

其中v、e、f、g、h、r、t、m表示經過z變換后的常數，z為Z-transform變換變量；

通過多次改變f、h使其變f₁、h₁得到式(10)

將校正后的MHD角速度傳感器G'_MHD(z)與經過FIR濾波處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數相加得到式(11)：

G_fused-final(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (11)

使得到的新的傳遞函數式(8)的增益在兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處保持一致；由此得到“相位補償高通濾波器”的傳遞函數為：

H_p(z)＝G'_MHD(z)/G_MHD(z) (12)

經過“相位補償高通濾波器”校正后的MHD角速度傳感器與經過FIR低通濾波器處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數相加，得到融合后的結果為

G_fused-final(z)＝G_MHD(z)H_P(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (13)

其中G_fused-final(z)表示融合后的傳遞函數。