一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法与流程

1.本发明属于惯性仪表控制技术领域，涉及一种获取谐振陀螺仪振动位移数据的方法和装置，尤其是一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法。


背景技术：

2.谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动陀螺仪，包括石英半球谐振陀螺、金属筒形谐振陀螺、嵌套环陀螺和微半球陀螺等。
3.石英半球谐振陀螺仪是基于一个半球形物体上驻波的惯性传感特征，半球形结构边缘驻波有两种模式，有两个波幅轴和两个波节轴，当物体绕输入轴旋转时，驻波位置相对于物体上的固定位置进动0.3倍。也就是说，当输入轴，输入90度角旋转将导致驻波进动27度。围绕陀螺输入轴的角旋转量是通过感知振动模式位置的变化来确定的。半球谐振陀螺在航海惯导系统、航空惯导系统、兵器惯导系统和空间惯导系统具有广阔的应用前景。
4.目前，一般情况下模拟信号到数字信号的转换，一般直接采用模数转换器件，模数转换器件在保证采样精度的情况下，采样速率较低，很难实现高采样速率与高精度的平衡。且模数转换线性度较差。
5.经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的专利文献。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法，能够将谐振陀螺仪0度及45度电极输出的模拟信号转换为数字信号。
7.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种基于闭环控制的谐振陀螺，包括：外壳及其内部的控制电路，所述控制电路包括：误差信号电荷放大电路、误差放大电路、模数转换电路模块、追踪控制模块和数模转换电路模块；谐振陀螺的谐振子的输出端与误差信号电荷放大电路一端相连接，且与数模转换电路模块的输出端相连接，用于实现半球谐振陀螺输出模拟量与数模转换电压反馈的信号相减，并将误差电流信号转换为电压信号;所述误差信号电荷放大电路的输出端与误差放大电路相连接，通过高增益放大电路将误差信号电荷放大电路输出的误差信号进一步放大；所述误差放大电路的输出端与模数转换电路模块相连接，用于采集误差放大电路输出的误差信号；所述模数转换电路模块的输出端与追踪控制模块相连接，该追踪控制模块通过模数转换电路模块获取的误差信号，将误差信号输入至追踪控制模块，产生正弦跟踪信号；所述追踪控制模块的输出端通过数模转换电路模块与误差信号电荷放大电路相连接，形成闭环控制回路；该数模转换电路模块用于输出模拟信号，该模拟信号跟踪所述半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号，并将数字信号转换为模拟信号，且与半球谐振陀螺
的谐振子输出的模拟信号求取误差量。
8.而且，所述误差放大电路输出为零电平。
9.而且，所述数模转换电路模块的数字输出量等效于半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号。
10.一种基于闭环控制的谐振陀螺的控制方法，包括以下步骤：步骤1、误差信号电荷放大电路将陀螺输出电流信号与数模转换电路模块反馈的电流信号求取差值并将电流信号转化为电压信号；步骤2、误差放大电路通过高增益放大电路将误差信号电荷放大器输出的误差信号进一步放大，提高误差分辨率；步骤3、模数转换电路模块将模拟误差量转化为数字误差量，便于后续数字信号处理；步骤4、追踪控制模块采用lms算法分离数字误差量的信息，分离误差信号幅度与相位信号。
11.步骤5、追踪控制模块将误差量通过pid控制，产生实时追踪的正弦信号；步骤6、通过数模转换电路模块，将实时追踪的正弦信号的数字量转化为模拟量，并连接至误差信号电荷放大电路，进而实现半球谐振陀螺闭环控制模数转换。
12.而且，所述步骤4的具体步骤包括：（1）对模数转换电路模块的每一次新的采样定义为：
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；（2）利用期望输出，计算误差信号，得到梯度；（3）利用lms公式更新滤波器系数，模数转换模块的更新数据及误差数据相乘，进行迭代运算；其中，代表当前的幅度值和相位；（4）返回步骤（2），直至结束，经过一段时间的迭代运算，得到幅度值与相位值。
13.本发明的优点和有益效果：1、本发明提出的一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法，通过闭环控制可实现极高的采样精度和高速度的模数转换且抗噪声、具有较好的非线性、且能够抑制温度变化对转换精度的影响。
14.2、本发明的一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法，通过闭环控制，模拟量获取方法转化为数模转换器的控制量，因此该控制方法具有极高的模数转换精度和模数转换速度，实现了高模数转换精度与高模数转换速度的平衡。
附图说明
15.图1 是本发明的谐振子振动示意图；图2是本发明的一种基于闭环控制的谐振陀螺及其控制方法处理流程示意图；图3半球谐振陀螺误差分离算法流程图；
附图标识说明：1、谐振陀螺的谐振子，2、误差信号电荷放大器，3、误差放大电路，4、模数转换电路模块，5、追踪控制模块，6、数模转换电路模块。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：一种基于闭环控制的谐振陀螺，如图1和图2所示，包括：外壳及其内部的控制电路，所述控制电路包括：误差信号电荷放大电路、误差放大电路、模数转换电路模块、追踪控制模块和数模转换电路模块；半球谐振陀螺的谐振子的输出端与误差信号电荷放大电路一端相连接，且与数模转换电路模块的输出端相连接，用于实现半球谐振陀螺输出模拟量与数模转换电压反馈的信号相减；并将误差电流信号转换为电压信号;所述误差信号电荷放大电路的输出端与误差放大电路相连接，通过高增益放大电路将误差信号电荷放大电路输出的误差信号进一步放大；所述误差放大电路的输出端与模数转换电路模块相连接，用于采集误差放大电路输出的误差信号；所述模数转换电路模块的输出端与追踪控制模块相连接，该追踪控制模块通过模数转换电路模块获取的误差信号，将误差信号输入至追踪控制模块，产生正弦跟踪信号；所述追踪控制模块的输出端通过数模转换电路模块与误差信号电荷放大电路相连接，形成闭环控制回路；该数模转换电路模块用于输出模拟信号，该模拟信号跟踪所述半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号，并将数字信号转换为模拟信号，且与半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号求取误差量。
17.在本实施例中，所述误差放大电路输出为零电平。
18.在本实施例中，所述数模转换电路模块的数字输出量等效于半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号。
19.下面对装置内各模块的组成和作用作进一步说明：1、误差信号电荷放大电路：将误差电流信号转换为电压信号，同时实现陀螺电极输出模拟量与反馈数模转换电压信号相减；2、误差放大电路：通过高增益放大电路将误差信号电荷放大器输出的误差信号进一步放大，提高误差分辨率。
20.3、模数转换电路模块：采集误差信号电荷放大器后端输出误差信号，理想情况下，其输出应保持零电平，即当误差信号为零时，数模转换器控制量等效于陀螺输出模拟信号；4、追踪控制模块：通过模数转换单元获取的误差信号，将误差信号输入值闭环控制回路，产生正弦跟踪信号，即将模数转换单元前端输入抑制到零，则数模转换模块的数字输出量等效于半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号；5、数模转换电路模块：输出模拟信号，该模拟信号跟踪半球谐振陀螺的谐振子输出的模拟信号，即追踪控制模块输出，将数字信号转换为模拟信号，且与陀螺电极输出的模拟信号求取误差量；一种基于闭环控制的谐振陀螺的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、误差信号电荷放大电路将陀螺输出电流信号与数模转换电路模块反馈的电流信号求取差值并将电流信号转化为电压信号；步骤2、误差放大电路通过高增益放大电路将误差信号电荷放大器输出的误差信号进一步放大，提高误差分辨率；步骤3、模数转换电路模块将模拟误差量转化为数字误差量，便于后续数字信号处理；步骤4、追踪控制模块采用lms算法分离数字误差量的信息，分离误差信号幅度与相位信号；步骤5、追踪控制模块将误差量通过pid控制，产生实时追踪的正弦信号；步骤6、通过数模转换电路模块，将实时追踪的正弦信号的数字量转化为模拟量，并连接至误差信号电荷放大电路，进而实现半球谐振陀螺闭环控制。
21.所述步骤4的具体步骤包括：（1）对模数转换电路模块的每一次新的采样定义为：；（2）利用期望输出，计算误差信号，得到梯度；（3）利用lms公式更新滤波器系数，模数转换模块的更新数据及误差数据相乘，进行迭代运算；其中，代表当前的幅度值和相位；（4）返回步骤（2），直至结束，经过一段时间的迭代运算，得到幅度值与相位值。
22.本发明的工作过程及工作原理如下：谐振子1为陀螺核心敏感单元，根据应用需求和精度等级不同，其材质可为石英、硅基和金属等。误差信号电荷放大器2用于将误差电流信号转换为误差电压信号，即陀螺电极输出的电流信号与数模转换器反馈回路反馈的电流信号相减，误差运算放大器3，进一步放大误差信号，提高分辨率与精度，模数转换模块4，模拟量转换为数字量，模拟误差信号转换为数字误差信号，便于数字信号处理。追踪控制环节5，通过控制算法实时跟踪陀螺输出的误差信号。数模转换模块6，控制环节输出正弦跟踪信号通过单元6，转换为模拟信号。
23.（1）谐振陀螺：谐振陀螺功能部件由两部分组成，谐振器和电极基座组成，这两部分都是由石英制成。谐振器和电极表面之间有个小间隙，这些石英半球表面镀金、使谐振器和电极形成微小电容器，这些电容器用于谐振器的电容读出和静电控制。谐振器和电极基座连接在一起并包含在一个密封的真空外壳中。由于陀螺仪是在真空中工作，受外界环境影响较小。半球谐振陀螺中没有运动部件，除了谐振器非常小的振幅振动，因此没有磨损的机制。
24.（2）模数转换电路模块：模数转换器用于将模拟电压转换为数字量，一般模数转换器难点实现高精度及较好的线性度。为实现较高精度的检测，将模数转换器工作在零位检测状态，获取误差量。
25.（3）数模转换电路模块：
数模转换器用于将数字量转换为模拟量，数模转换器可实现较高的转换速度和较好的线性度及温度特性。数字转换单元，控制环节追踪的控制信号转换为模拟信号，即实时产生与陀螺幅度及相位一致的正弦信号。
26.（4）追踪控制模块为实现较好的正弦追踪效果，增加控制环节。便于对正弦信号跟踪需要提取正弦信息幅度及相位信号。应用lms算法提取正弦幅度与相位信息，lms自适应滤波器实质上就是一种能调节自身传输特性以达到最优的维纳滤波器。自适应滤波器不需要关于输入信号的先验知识，计算量小，特别适用于实时处理。在实际工程中，lms可实现高精度估算已知频率正弦信号的幅度、相位及偏置数据。且lms自适应滤波器算法简单，复杂度低：lms实质上就是一种求最优的算法，误差函数e(n)最小。在实际应用中，绝大多数情况下我们无法获取得信号真实的自相关矩阵，以及输入信号与期望之间的互相关向量，因此，实际应用中，我们用瞬时梯度代替的数学期望：
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(1)因此，可推导出lms算法的迭代公式：
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(2)上式是逐点更新，也就是每当给定一个新的和，滤波器系数就更新一次，表示更新步长。
27.需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。