一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法与流程

1.本发明涉及电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法，属于惯性技术领域。


背景技术：

2.陀螺仪是一种重要的惯性元件，可以用来检测载体的角度或角速度。半球谐振陀螺有“三件套”和“两件套”两种机械结构，其中“三件套”半球谐振陀螺由谐振子、激励罩和检测基座三部分组成，“两件套”由谐振子和电极基座组成。由于机械结构简单以及制作材料的物理特性，半球谐振陀螺具有检测精度高、可靠性强、工作寿命长等优点，目前已经在我国的航天、航海等军事领域中取得了广泛的应用。
3.根据测量的是角速度还是角度，半球谐振陀螺可分为力平衡和全角两种工作模式，其中全角模式是一种新型的工作模式。全角模式的原理是利用振型进动角度与陀螺转动角度呈正比这一特性，通过0
°
和45
°
检测电极实时检测振型位置，直接解算出陀螺的角速度。理想中0
°
和45
°
电极夹角应该是45
°
，但由于加工制造中存在误差，导致0
°
电极与45
°
电极之间的夹角存在角度误差即0
°
和45
°
电极夹角为那么通过传统的测角方法去处理电极检测到的信号，计算出来的振型进动角就会存在一定误差，降低了陀螺的测角精度。
4.在实际制作过程中，检测电极加工制造角度误差是不可避免的，要想提高陀螺的测角精度，就必须采取方法去抑制或者消除电极角度误差带来的影响。因此，提出一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法，是非常有意义的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决检测电极角度存在误差时半球谐振陀螺无法实现角度的精确测量，从而导致导航准确率低的问题，而提出一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法。
6.一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
7.步骤1，将半球谐振陀螺安装并固定在转台上，使陀螺敏感轴与转台的旋转轴重合；
8.步骤2，对半球谐振陀螺上的激励电极施加激励电压进行参数激励，直到谐振子的振动信号幅值不变；
9.步骤3，使转台匀速旋转，采集陀螺上0
°
、45
°
检测电极检测到的振动信号x、y，同时采集转台角度θ
r
；
10.步骤4，利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对检测到的振动信号x、y进行解调，得到信号cx、sx、cy、sy，对信号cx、sx、cy、sy分别进行低通滤波得到信号cx'、sx'、cy'、sy'，再对信号cx'、sx'、cy'、sy'进行二次组合，得到e、r、s信号；
11.步骤5，建立考虑电极角度误差的测角方程；
12.步骤6，对非线性辨识算法进行初始参数设置；
13.步骤7，将步骤4得到的e、r、s信号作为非线性辨识算法的输入，对电极角度误差进行辨识，得到估计的电极角度误差
14.步骤8，将辨识得到的代入步骤5建立的考虑电极角度误差的测角方程中，获取电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明首先将半球谐振陀螺安装固定在转台上，使陀螺敏感轴与转台的旋转轴重合，然后对间隔布置在半球谐振陀螺上的激励电极施加激励电压进行参数激励，直到谐振子的振动信号幅值稳定。使转台匀速旋转，采集陀螺上检测电极检测到的振动信号x、y以及转台转角θ
r
，并利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对x、y进行解调、低通滤波、二次组合后得到e、r、s信号。基于改进的测角方程，选取合适的参数初值，使用非线性最小二乘法对电极角度误差进行辨识，辨识得到电极角度误差估计值最后将代入改进的测角方程中，得到精确的测角方程，可以提高陀螺的测角精度。通过理论分析和仿真实验，验证了本发明专利提出的电极角度存在误差时半球谐振陀螺振型角获取方法能够实现振型角的高精度获取，解决了由于电极角度加工误差导致陀螺测角不精确的问题，提高了半球谐振陀螺的测量精度，提高了导航准确率。
附图说明
17.图1为本发明辨识流程框图；
18.图2为参数辨识误差曲线图；
19.图3为振型角误差曲线图；
20.图4为半球谐振陀螺上的激励电极布置图。
具体实施方式
21.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法具体过程为：
22.本发明提出了一种电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角获取方法，该方法基于改进的测角方程，使用非线性最小二乘法对电极角度误差进行辨识。该方法通过辨识电极角度误差来得到精确的测角公式，从而计算出谐振子精确的振型角，实现陀螺的高精度测角。本发明也可以通过扩展卡尔曼滤波等非线性辨识算法来实现电极角度误差的辨识。
23.步骤1，将半球谐振陀螺安装并固定在转台上，使陀螺敏感轴与转台的旋转轴重合；
24.步骤2，对半球谐振陀螺上的激励电极施加激励电压进行参数(激励电极施加的信号，如信号的幅值、频率、相位)激励，直到谐振子的振动信号幅值不变；
25.步骤3，使转台匀速旋转，采集陀螺上0
°
、45
°
检测电极检测到的振动信号x、y，同时采集转台角度θ
r
；
26.步骤4，利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对检测到的振动信号x、y进行解调，得到信号cx、sx、cy、sy，对信号cx、sx、cy、sy分别进行低通滤波得到信号cx'、sx'、cy'、sy'，再对信号cx'、sx'、cy'、sy'进行二次组合，得到e、r、s信号；
27.步骤5，建立考虑电极角度误差的测角方程；
28.步骤6，对非线性辨识算法进行初始参数设置；
29.步骤7，将步骤4得到的e、r、s信号作为非线性辨识算法的输入，对电极角度误差进行辨识，得到估计的电极角度误差
30.步骤8，将辨识得到的代入步骤5建立的考虑电极角度误差的测角方程中，获取电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角。
31.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤2中激励电极间隔布置在半球谐振陀螺上。如图4所示。
32.其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
33.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤4中利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对检测到的振动信号x、y进行解调，得到信号cx、sx、cy、sy，对信号cx、sx、cy、sy分别进行低通滤波得到信号cx'、sx'、cy'、sy'，再对信号cx'、sx'、cy'、sy'进行二次组合，得到e、r、s信号；具体过程为：
34.利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对检测到的振动信号x、y进行解调，得到信号cx、sx、cy、sy，表达式为：
[0035][0036]
将信号cx、sx、cy、sy经过低通滤波，分别滤除信号cx、sx、cy、sy中的二倍频，得到信号cx'、sx'、cy'、sy'；
[0037]
对信号cx'、sx'、cy'、sy'进行二次组合，得到e、r、s信号。
[0038]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0039]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述对信号cx'、sx'、cy'、sy'进行二次组合，得到e、r、s信号，表达式为：
[0040][0041]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0042]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述参考信号v
rc
、v
rs
由正弦信号和余弦信号组成。
[0043]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0044]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤5中建立考虑电极角度误差的测角方程；具体过程为：
[0045]
建立考虑电极角度误差的测角方程，得到能精确描述振型的真实进动角θ
real
，形式如下:
[0046][0047]
从上式可知，只要知道参数就能直接求得振型的真实进动角θ
real
。
[0048]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0049]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤6中对非线性辨识算法进行初始参数设置；具体过程为：
[0050]
所述非线性辨识算法为非线性最小二乘法或扩展卡尔曼滤波法；
[0051]
由于非线性最小二乘和扩展卡尔曼滤波都是一种递推算法，启动时必须先给定电极角度误差的估计初值和进动系数的估计初值令
[0052]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0053]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤7中将步骤4得到的e、r、s信号作为非线性辨识算法的输入，对电极角度误差进行辨识，得到估计的电极角度误差辨识具体过程为：
[0054]
将步骤4得到的e、r、s信号作为非线性最小二乘法的输入；
[0055]
s1：计算当前时刻的值函数：
[0056][0057]
其中，θ
r
(i)为i时刻采集的转台转角；为i时刻进动系数的估计值；为i时刻电极角度误差的估计值；
[0058]
s2：计算值函数当前时刻的雅可比矩阵：
[0059]
令
[0060][0061]
其中，b为中间变量；j
r
(i)为i时刻的雅可比矩阵；
[0062]
s3：基于当前时刻的值函数和当前时刻的雅可比矩阵，计算辨识参数(电极角度误差的估计值和进动系数的估计值)当前时刻的增量；
[0063][0064]
其中，为当前时刻电极角度误差估计值的增量；δc(i)为当前时刻进动系数估计值的增量；
[0065]
s4：对下一时刻的辨识参数进行更新：
[0066][0067]
其中，为i 1时刻电极角度误差估计值；为i 1时刻进动系数的估计值；
[0068]
s5：判断是否还有信号e、r和s输入(输入到s1)，若有则跳到s1，若无则跳到步骤s6；
[0069]
s6：辨识结束，输出估计的电极角度误差
[0070]
综上，实现了对电极角度误差的辨识。
[0071]
这里给出的是非线性最小二乘法对电极角度误差进行辨识，也可以采用扩展卡尔曼滤波等其他辨识算法来实现电极角度误差的辨识。
[0072]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0073]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤7中将步骤4得到的e、r、s信号作为优化算法的输入，对电极角度误差进行辨识，得到估计的电极角度误差辨识具体过程为：
[0074]
扩展卡尔曼滤波所选模型如下
[0075][0076]
其中，为i 1时刻电极角度误差；c(i 1)为i 1时刻进动系数值；为i 1时刻转台转角测量值，v为测量噪声；
[0077]
将步骤4得到的e、r、s信号作为扩展卡尔曼滤波器的输入；
[0078]
s1：对下一时刻的状态估计值进行预测：
[0079][0080]
其中，为电极角度误差第i个时刻的先验估计值；为第i个时刻的估计值；为进动系数c第i个时刻的先验估计值；为进动系数c第i
‑
1个时刻的先验估计值；
[0081]
s2：对下一时刻的估计误差协方差进行预测：
[0082]
p
i|i
‑1＝p
i
‑
1|i
‑1[0083]
其中，p
i|i
‑1为估计误差协方差矩阵第i时刻的预测值，p
i
‑
1|i
‑1为估计误差协方差矩阵第i
‑
1时刻的值；
[0084]
s3：判断是否还有实验数据输入，若有则跳到s4，若无则跳到步骤s9；
[0085]
s4：对下一时刻的测量矩阵进行预测：
[0086]
令
[0087][0088]
其中，b为中间变量；c
i
为第i个时刻的测量矩阵；
[0089]
s5：对下一时刻的测量估计值进行预测：
[0090][0091]
其中，为转台转角的估计值；
[0092]
s6：对下一时刻的状态增益矩阵进行预测：
[0093]
k
i
＝p
i|i
‑1c
it
(c
i
p
i|i
‑1c
it
q)
‑1[0094]
其中，q为噪声v的协方差；k
i
为第i个时刻的状态增益矩阵，t为转置；
[0095]
s7：对下一时刻的状态估计值进行更新：
[0096][0097]
其中，为电极角度误差第i个时刻的后验估计值；为进动系数c第i个时刻的后验估计值；
[0098]
s8：对下一时刻的估计误差协方差进行更新，然后跳转到s1：
[0099]
p
i|i
＝(i
‑
k
i
c
i
)p
i|i
‑1(i
‑
k
i
c
i
)
t
[0100]
其中，p
i|i
为估计误差协方差矩阵第i个时刻的值，i为单位矩阵；
[0101]
s9：滤波结束，输出估计的电极角度误差
[0102]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0103]
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤8中将辨识得到的代入步骤5建立的考虑电极角度误差的测角方程中，获取电极角度存在误差时的半球谐振陀螺振型角；表达式为：
[0104][0105]
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
[0106]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0107]
实施例一：
[0108]
步骤1，将半球谐振陀螺安装并固定在转台上，使陀螺敏感轴与转台的旋转轴重合；
[0109]
步骤2，对间隔布置在半球谐振陀螺上的激励电极施加激励电压进行参数(激励电极施加的信号，如信号的幅值、频率、相位)激励，直到谐振子的振动信号幅值稳定；
[0110]
步骤3，使转台以ω
r
＝100
°
/s的速度匀速旋转，设定采样频率为fs＝1000hz，采样时间为t
i
＝100s，采集陀螺上0
°
、45
°
检测电极检测到的振动信号x、y，同时采集转台角度θ
r
。0
°
电极与45
°
电极加工制造角度误差为
[0111]
步骤4，利用锁相环生成的参考信号v
rc
、v
rs
分别对所述的振动信号x、y进行解调，得到信号cx、sx、cy、sy，低通滤波后得到cx'、sx'、cy'、sy'，再进行二次组合，得到e、r、s信号，所述的参考信号v
rc
、v
rs
由正弦信号和余弦信号组成；
[0112]
步骤5，建立考虑电极角度误差的测角方程，选择合适的参数初值，使用非线性最小二乘法对电极角度误差进行辨识，此处也可以通过扩展卡尔曼滤波等非线性辨识算法来实现电极角度误差的辨识；
[0113]
选取辨识参数估计初值为
[0114]
辨识具体步骤如下：
[0115]
s1：计算当前时刻的值函数
[0116][0117]
其中，θ
r
为转台转角。
[0118]
s2：计算值函数当前时刻的雅可比矩阵：
[0119]
令
[0120][0121]
s3：计算辨识参数当前时刻的增量
[0122][0123]
s4：对下一时刻的辨识参数进行更新：
[0124][0125]
s5：判断是否还有信号e、r和s输入，若有则跳到s1，若无则跳到步骤s6；
[0126]
s6：辨识结束，输出估计的电极角度误差
[0127]
仿真结果如下图所示，从图2可以看出非线性最小二乘法辨识的参数精度很高，在仿真时间里滤波器一共输出了100000个值，取最后辨识的可以得到最终辨识的与实际的差值约等于7.2
×
10
‑4°
。
[0128]
步骤6，将辨识的代入改进的测角方程中，得到精确的测角方程，表达式如下：
[0129][0130]
计算得到估计振型角θ
guji
与真实振型角θ
real
之间的位置误差，绘制的位置误差曲线如图3：
[0131]
由曲线可知，位置误差范围始终处在[0
°
,0.0015
°
]，该方法估计的振型角θ
guji
具有很高的精度。
[0132]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。