[發(fā)明專利]一種諧振式陀螺閉環(huán)控制方法與系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010416651.4
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111578923B
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖定邦;吳學(xué)忠;許一;李青松;張勇猛;周鑫;侯占強(qiáng);卓明;王鵬;路闊;孫江坤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01C19/5719
• 分類號: G01C19/5719;G01C25/00
• 代理公司: 長沙國科天河知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發(fā)明公開一種諧振式陀螺閉環(huán)控制方法與系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)、檢測模態(tài)下，驅(qū)動(dòng)、檢測方向振動(dòng)位移信號的采集和轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)位移信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)環(huán)路生成控制信號輸入驅(qū)動(dòng)電極激勵(lì)諧振子在驅(qū)動(dòng)方向恒幅振動(dòng)；檢測位移信號分兩路，一路經(jīng)正交誤差抑制環(huán)路輸入檢測電極；另一路經(jīng)力平衡環(huán)路生成檢測信號與校正解調(diào)信號疊加；對經(jīng)兩環(huán)路解調(diào)的信號分別解調(diào)和幅值運(yùn)算；對幅值結(jié)果求和與PID控制運(yùn)算獲得標(biāo)度補(bǔ)償信號；利用標(biāo)度補(bǔ)償信號調(diào)控帶擾動(dòng)反饋力信號幅值，并將控幅后的信號輸入檢測電極，實(shí)現(xiàn)陀螺儀標(biāo)度因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。該方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了諧振式陀螺完整的閉環(huán)控制功能，同時(shí)解決現(xiàn)有技術(shù)中適應(yīng)性差且耗時(shí)費(fèi)力等問題，提高陀螺運(yùn)行狀態(tài)下標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及諧振式陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)諧振式陀螺閉環(huán)控制方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

陀螺儀是測量載體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳感器，是航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、遠(yuǎn)洋潛航、姿態(tài)測量等領(lǐng)域的核心器件，在航空航天、智能機(jī)器人、制導(dǎo)彈藥等高端工業(yè)裝備和精確打擊武器中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的陀螺儀包括機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、靜電陀螺、半球諧振陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等，它們精度普遍較高，但同時(shí)具有體積大、功耗高、價(jià)格高等缺點(diǎn)，越來越難以適應(yīng)信息化時(shí)代對于小體積和低功耗的需求。基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低、壽命長、可批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜等諸多特點(diǎn)，在大批量和小體積的工業(yè)和武器裝備應(yīng)用中具有先天優(yōu)勢。但與傳統(tǒng)陀螺儀相比，目前MEMS陀螺儀的精度還不夠高，應(yīng)用主要局限于智能手機(jī)、微型無人機(jī)、汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)等低端領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾抗欺騙、室內(nèi)導(dǎo)航、微小型水下無人平臺、單兵定位、地下隨鉆定向系統(tǒng)等新興領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⑿◇w積、低功耗、低成本MEMS陀螺儀提出了迫切需求。

標(biāo)度因數(shù)是指陀螺輸出數(shù)據(jù)與輸入角速度之間的比值，即單位角速度輸入對應(yīng)陀螺輸出值的大小。對于諧振式微機(jī)械陀螺而言，無論是開環(huán)控制模式還是力平衡閉環(huán)控制控制，外界環(huán)境因素(尤其是溫度)的變化均會對標(biāo)度因數(shù)的大小產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性變差。對于高精度導(dǎo)航系統(tǒng)而言，標(biāo)度因數(shù)的不穩(wěn)定性會造成極大的累積誤差，限制陀螺精度水平的發(fā)揮。傳統(tǒng)的標(biāo)度因數(shù)控制方法主要是基于標(biāo)度因數(shù)和各系統(tǒng)參數(shù)隨環(huán)境變化的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行的擬合補(bǔ)償法，需要進(jìn)行大量的前期數(shù)據(jù)測試來確定擬合補(bǔ)償函數(shù)，同時(shí)需要陀螺保持良好的穩(wěn)定性才能保證整體的補(bǔ)償精度。這樣的方法不但耗時(shí)耗力，而且難以適用于狀態(tài)可能發(fā)生變化的陀螺。因此，研究陀螺標(biāo)度因數(shù)的閉環(huán)方法，對提高標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性具有重要的意義和價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種諧振式陀螺閉環(huán)控制方法、系統(tǒng)及陀螺儀，用于克服現(xiàn)有技術(shù)中對陀螺的穩(wěn)定性要求較高導(dǎo)致適應(yīng)性較差、需要大量前期數(shù)據(jù)導(dǎo)致耗時(shí)費(fèi)力等缺陷，通過閉環(huán)控制，在狀態(tài)變化過程中對陀螺標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，將標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定在較高值附近，以提高陀螺在運(yùn)行狀態(tài)下標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種諧振式陀螺閉環(huán)控制方法，包括以下步驟：

步驟1，驅(qū)動(dòng)模態(tài)下，采集表征陀螺儀驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)位移的第一信號輸入驅(qū)動(dòng)環(huán)路；檢測模態(tài)下，采集表征陀螺儀檢測方向振動(dòng)位移的第二信號輸入檢測環(huán)路；

步驟2，第一信號經(jīng)轉(zhuǎn)換和解調(diào)、閉環(huán)控制、調(diào)制生成驅(qū)動(dòng)控制信號輸入驅(qū)動(dòng)電極以激勵(lì)諧振子在驅(qū)動(dòng)方向恒幅振動(dòng)；

第二信號分成兩路，一路經(jīng)正交解調(diào)、處理后生成控制信號輸入正交誤差修調(diào)電極以抑制正交誤差信號；另一路經(jīng)力平衡環(huán)路解調(diào)、處理后生成角速度檢測信號即陀螺輸出信號，將陀螺輸出信號與校正解調(diào)信號疊加得到帶擾動(dòng)的反饋力信號；

步驟3，對經(jīng)正交誤差抑制環(huán)路解調(diào)后的信號及經(jīng)力平衡環(huán)路解調(diào)后的信號分別進(jìn)行信號解調(diào)和幅值提取運(yùn)算；對所述幅值進(jìn)行運(yùn)算獲得標(biāo)度補(bǔ)償信號；將角速度檢測信號與所述校正解調(diào)信號疊加后與標(biāo)度補(bǔ)償信號進(jìn)行幅值運(yùn)算，得到的信號輸入檢測電極中，標(biāo)度補(bǔ)償信號的大小控制帶擾動(dòng)反饋力信號的幅值，以實(shí)現(xiàn)對陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。