基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法.pdf
《基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第32卷第1期 中国惯性技术学报 Vol.32 No.1 2024 年 01 月 Journal of Chinese Inertial Technology Jan.2024 收稿日期:收稿日期:2023-08-24;修回日期:修回日期:2023-11-20 基金项目:基金项目:工信部高技术船舶科研项目(CB04N20)作者简介:作者简介:赵小明(1961),男,研究员,博士生导师,从事组合惯性导航系统技术研究。文章编号:文章编号:1005-6734(2024)01-0058-06 doi.10.13695/ki.12-1222/o3.2024.01.008 基于电极模态切换的半球谐振陀螺自
2、校准方法基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法 赵小明1,2,王长元1,陈 刚1,2,杨松普1,贾晨凯1,唐明浩1(1.天津航海仪器研究所,天津 300131;2.中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131)摘要:摘要:针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法
3、。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升 1.8 倍以上,陀螺零偏重复性提升 90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。关关 键键 词:词:半球谐振陀螺;力平衡模式;自校准;模态切换 中图分类号:中图分类号:U666.1 文献标志码:文献标志码:A A self-calibration method for hemispherical resonator gyroscope based on electrode mode switching ZHAO Xiaoming1,2,WANG Chang
4、yuan1,CHEN Gang1,2,YANG Songpu1,JIA Chenkai1,TANG Minghao1(1.Tianjin Navigation Instrument Research Institute,Tianjin 300131,China;2.Laboratory of Science and Technology on Marine Navigation and Control of China State Shipbuilding Corporation,Tianjin 300131,China)Abstract:Aiming at the problem of si
5、gnificant changes in bias stability and repeatability of hemispherical resonant gyroscopes(HRGs)in force balance mode due to processing technology,processing conditions,and external environmental factors,a self-calibration method for gyroscopes based on mode switching is proposed.Based on the second
6、-order vibration mode of HRG,the motion equation of resonator under ideal condition is established,and the motion model and parameter control equation of resonator under nonideal factors such as nonuniform damping and frequency splitting are analyzed and derived.According to the drift characteristic
7、s of HRG,a self-calibration method based on electrode mode switching is proposed.The bias stability and repeatability of HRG before and after electrode mode switching are compared by relevant experiments.The experimental results show that the bias stability is improved by more than 1.8 times,and the
8、 bias repeatability of HRG is increased by 90.5%in different states.The proposed method can effectively estimate and compensate the HRG drift,and improve the stability and repeatability of the output of HRG.Key words:hemispherical resonator gyro;force to rebalance mode;self-calibration;mode switchin
9、g 作为一种新型惯性元器件,半球谐振陀螺具有体积小、质量小、功耗低、工作寿命长、可靠性高等优点,以其出众的成本/尺寸/质量/功耗比(Cost Size Weight and Power,C-SWaP)1,在航天、航空、航海、兵器等惯性领域具有广泛适用性2。半球谐振陀螺工作模式主要包含两种,全角模式和力平衡模式3。全角模式下,振动波型在谐振子周向自由进动,进动角速度与外界输入角速度成比例,因此可以通过检测振型的角速度获取外界的输入角速度,全角模式陀螺漂移与振型位置有关,精度相对较低,但陀螺带宽高,量程大,适用于高动态环境。力平衡模式下,振型被控制在特定振型角位置,控制力第 1 期 赵小明等:基于
10、电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法 59 与振型进动的哥氏力平衡,据此可以计算陀螺敏感的角速度,陀螺测量范围相对较低,但由于振型控制在特定的角度下,陀螺精度较高,适用于低动态高精度下的导航。虽然在不同工作模式下,谐振陀螺性能表现不同,但是与振型角位置相关的陀螺漂移4对陀螺性能和等效系统精度会产生很大影响。陀螺漂移是表征谐振陀螺性能的关键指标,受陀螺本身和环境变化影响,通常用陀螺输出零偏稳定性和零偏重复性表示。目前在国内,由于受谐振子加工技术、加工条件等限制5,谐振陀螺精度相对较低,输出零偏稳定性和重复性变化较大,工程应用时需要对其进行误差辨识及补偿。传统陀螺误差补偿方法依赖于准确的外部信息进
11、行修正,由于谐振子振型进动的工作机理,半球谐振陀螺不需参考外界的信息输入,可进行误差自校准6,国内外学者对半球谐振陀螺漂移补偿相关技术进行研究。全角模式下的误差自补偿,文献7提出可改变振型来调制漂移,提升 MEMS 陀螺的等效精度,对谐振陀螺有借鉴意义;文献89提出主动驱动振型旋转调制漂移,解决全角模式下漂移不均问题,从机理上阐述了驱动振型进动的方法;力平衡模式下,文献10提出一种利用双陀螺模态切换的方法,分析比较不同状态下陀螺输出进行自校准,由于引入额外的陀螺作为参考,硬件实现较为困难;文献11提出通过模态反转的方法将振型角虚拟进动至特定位置,校准陀螺零位,由于谐振子实际加工周向存在不均匀,
12、振动位置发生改变,不同振型下阻尼不均会带来一部分漂移误差。针对谐振陀螺在力平衡模式下的陀螺输出补偿,本文提出一种基于电极模态切换的自校准方法。首先根据谐振陀螺的工作机理,建立了理想与非理想情况下的谐振子的运动模型,基于模型中谐振陀螺驻波漂移特性,提出一种模态切换辨识陀螺漂移补偿陀螺输出的方法,并通过陀螺输出零偏稳定性和零偏重复性实验,验证该自校准方法有效性。1 1 半球谐振陀螺运动方程 半球谐振陀螺运动方程 1.1 理想状态下的谐振子运动方程 图 1 二维振动模型和二维振动轨迹图 Fig.1 Two-dimensional vibration model and trajectory diag
13、ram 半球谐振陀螺谐振自振动模型等价于二阶振动弹簧12,质点运动轨迹为一个椭圆,如图 1 所示,a 表示椭圆的半长轴,q表示为椭圆的半短轴。根据牛顿第二定律,理想模型运动方程可表示为:2221 0010 120 xyfxxxfyyym (1)式(1)中,为振型进动系数(布莱恩系数);为外界输入角速度;1/为阻尼;m为谐振子质量;为谐振子固有频率;xf、yf为谐振子受到的控制力。方程有解:0coscossinsin+sincoscos sinxatqttyatqt,(2)将,x y求一阶、二阶导数带入式(1)左侧可知:22210001201001cos0110cossin1001sin0110
14、 xxxyyyABtCDt (3)其中:00002221222qqAaaqqBaaaaCaaqDaa (4)将谐振子运动参数与控制信号相结合有:00coscossincos2cos sinsinsincoscossincos2cos sinsinsinrqxapqrypaCCfmaCCCCfmaCC (5)式(5)称为半球谐振陀螺参数控制方程,其中aC、qC、rC、pC分别为幅值控制信号、正交控制信号、刚度控制信号与进动控制信号。对比等式左侧和右侧,可以通过施加对应控制力对椭圆参数进行控制。其中幅值控制回路可将波幅点的振幅a控制为常值;正交控制回路可将引起控制力的耦合的波节点振幅q控制为0,有
15、:1;2aqrpaqCCaaCC(6)60 中国惯性技术学报 第 32 卷 1.2 非理想的谐振子运动模型 实际的谐振陀螺中,由于目前工艺的限制,不可避免会带来各种误差,主要包含谐振子存在周向阻尼不均和周向质量不均带来的频率裂解13。当谐振子一周的质量和刚度存在不均时,等效于谐振子存在刚度最大轴和刚度最小轴,导致频率裂解,同理,阻尼不均会产生周向振动衰减速率不一致,引入周向误差,影响陀螺性能。Lynch推导含有阻尼不均、质量不均的陀螺控制方程:12222121222121222212122212112()11()(cos2sin2)()2(cos2sin2)2112()11()(sin2cos
16、2)()2(sin2cos2)2xyfxyyxxyxxyfyxxyxyyxy(7)式(7)中:222121222121211 11;()22111;()2 (8)整理为向量形式有:22211cos2sin221 0+0 1121sin22cos21cos2sin2=sin2cos2xyxxyyfxfym (9)基于平均法12,推导非理想状态下陀螺参数控制方程为:111cos2()21sin2()2111cos2()21sin2()211sin2()21cos2()211sin2(2aqpraCaqaqqCaaCkqaCk)1cos2()2qa (10)力平衡模式下,0,力平衡模式回路有:11s
17、in2()21cos2()2pCkqa (11)式(11)为谐振陀螺振型控制方程,通过施加振型控制力,可以将振型控制在特定振型角,这是基于电极功能切换的模态切换自校准技术的基础。2 2 模态切换自校准技术模态切换自校准技术 2.1 模态切换自校准基本原理 对于在力平衡控制模式下的陀螺,在x轴和y轴振动方程可表示为:cos2 cos()sin2 sin()sin2 cos()cos2 sin()xatqtyatqt (12)利用参考信号对两方向信号进行解调,取参考信号如下:sin()cos()rssrccvAtvAt (13)参考信号与,x y位移信号相乘,将相乘后的信号通过低通滤波器去掉2项,
18、有:cos2 cossin2 sincos2 sinsin2 cossin2 coscos2 sinsin2 sincos2 cosxrcxrsyrcyrscv xaqsv xaqcv yaqsv yaq (14)进行联立计算可得中间变量QERSL、如下:22222222222222222()2()cos42()()sin42()()sin2xyyxxxyyxxyyxyxyxxyyQc sc saqEcscsaqRcscsaqSc cs saqLc sc saq (15)可知:2222()sin4tan4()cos41arctan4SaqRaqSR (16)为振型进动角,可得到外界载体旋转的角
19、度。如图2所示,基于电极功能切换的模态切换自校准就是通过交替切换陀螺激励电极/A Q和检测电极/a q的控制功能,使陀螺工作在相同的振动位置,陀螺漂移与外界角速度的关系产生规律性变化,从而达到从包含外界角速度信息的陀螺信号中分离出陀螺漂移并且补偿的目的。第 1 期 赵小明等:基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法 61 图 2 电极模态切换前后示意图 Fig.2 Schematic diagram before and after electrode mode switching 结合式(9),假设切换前为正常模态,切换后为切换模态,分析两种工作模态下的陀螺谐振子运动方程,可知,正常模态为:
20、1112212211122122210+2011=xyccxxccyyfkkxfkkym (17)切换模态为:1112212211122122210+2011=yxccyyccxxfkkyfkkxm (18)陀螺处于力平衡工作模式时,谐振子在稳幅回路作用下等幅振动,由式(11)可知陀螺力平衡回路输出在正常模态和切换模态下分别为:11sin2()21cos2()2pCkqa正常 (19)11sin2()21cos2()2pCkqa 切换 (20)式(19)(20)中:dcoscosk为在纬度下,航向角为k时的地速d分量。综上,模态切换前后陀螺敏感外界角速度方向相反,漂移大小不变,通过对切换前后的
21、陀螺输出信号进行差分即可分离其中的漂移项,从而达到自校准目的。2ppcCCK正常切换 (21)式(21)中,c为模态切换前后输出信号差分计算出的陀螺测量角速度。2.2 模态切换自校准实现 模态切换实现原理框图如图3所示。图 3 陀螺模态切换原理图 Fig.3 Mode switching schematic diagram 正常模态下,aq、信号经过解调和滤波后得到中间变量xxyycscs、,通过PID控制得到四条回路控制输出aC、qC、rC、pC,调制后通过激励电极/A Q控制振型,pC即为正常模态陀螺力平衡输出信号,包含漂移和外界角速度信息。切换模态下,aq、信号经过解调和滤波后得到中间变
22、量xxyycscs、,将中间量xc与yc、xs与ys信息两两互换后,将交换过的中间变量解耦后送入PID控制,得到回路控制输出aC、qC、rC、pC,然后将aC与pC、qC与rC两两交换,再经过调制后送入/A Q进行激励。3 3 实验验证实验验证 为验证基于电极模态切换自校准方法的有效性,分别进行谐振陀螺零偏稳定性实验及重复性实验,实验装置如图4所示,包含供电电源,陀螺控制模块,不同精度的谐振陀螺:1#陀螺(0.5/h)和2#陀螺(0.03/h)。图 4 实验装置 Fig.4 The experimental apparatus 3.1 陀螺零偏稳定性自校准实验 在实验室条件下,选取不同精度半球
23、谐振陀螺,将陀螺放置在测试平板上进行零偏稳定性试验。设置陀螺控制规律为:正常与切换两种模态每间隔5 min交替一次,交替时间50 s,试验时间12 h。模态切换陀螺输出变化如图5所示,在交替时间50 s内,陀螺处于电极转换状态,陀螺输出数据无实际参考意义,仅对两种模态下的陀螺输出数据做处理可得到陀螺的62 中国惯性技术学报 第 32 卷 漂移和输入角速度。图 5 模态切换过程中陀螺输出 Fig.5 Output of 1#gyro during mode switching 图6和图7展示了0.5/h精度下的陀螺模态切换前后的输出情况以及零偏稳定性对比。图 6 1#陀螺模态切换中输出(十秒平滑
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 电极 切换 半球 谐振 陀螺 校准 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。