專利名稱：無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺及其信號(hào)處理電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械陀螺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺及其信號(hào)處理電路和信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
中國(guó)發(fā)明專利 ZL200410(^9089. 0,200410(^9228. X，200510134858. 8， 200510134859. 3,200710105849. 5 ；美國(guó)發(fā)明專利 US7, 805, 994B2 ；英國(guó)發(fā)明專利 GBM49955，都是利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動(dòng)力的硅微機(jī)械陀螺。該陀螺采用重力加速度計(jì)為參考，提取陀螺所檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)體的角速度和角度，利用兩個(gè)信號(hào)的相位差確定旋轉(zhuǎn)體的空間姿態(tài)，可以分別解出偏航角速度、俯仰角速度和滾動(dòng)角速度。信號(hào)解調(diào)過(guò)程首先求出橫向角速度大小(即陀螺輸出信號(hào)的包絡(luò)信號(hào))，通常采用Hilbert變換方法或峰值點(diǎn)檢測(cè)的方法來(lái)提取包絡(luò)。這兩種方法理論上可以使用1/4個(gè)載波周期的數(shù)據(jù)完成，但實(shí)際應(yīng)用中通常需要使用1個(gè)載波周期以上的數(shù)據(jù)才能滿足一定的精度要求，因此這些包絡(luò)提取算法造成了系統(tǒng)至少1個(gè)載波周期的延時(shí)，并且包絡(luò)提取精度較低，這在實(shí)際控制應(yīng)用中存在很大的問(wèn)題。另一方面，上述專利中通過(guò)檢測(cè)重力加速度計(jì)輸出信號(hào)的頻率來(lái)檢測(cè)滾動(dòng)角速度，重力加速度計(jì)在系統(tǒng)中容易受動(dòng)力學(xué)影響，輸出信號(hào)穩(wěn)定性較差，且不能實(shí)時(shí)進(jìn)行， 對(duì)滾動(dòng)角速度的解調(diào)精度和實(shí)時(shí)性造成了影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的滾動(dòng)角速度或橫向角速度。本發(fā)明提供一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺，能夠安裝于旋轉(zhuǎn)體，包括第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件，第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件，以及分別和第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件和第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的信號(hào)處理電路；其中，第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件和第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件互相垂直安裝。根據(jù)本發(fā)明的無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺的一個(gè)實(shí)施例，信號(hào)處理電路包括與第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的第一信號(hào)調(diào)理電路；與第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的第二信號(hào)調(diào)理電路；分別與第一信號(hào)調(diào)理電路和第二信號(hào)調(diào)理電路連接的數(shù)字信號(hào)處理電路，用于接收第一信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第一電信號(hào)和第二信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第二電信號(hào)，根據(jù)第一電信號(hào)和第二電信號(hào)輸出旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度、和/或旋轉(zhuǎn)體的橫向角速度大小和方位
根據(jù)本發(fā)明的無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)字信號(hào)處理電路根據(jù)如下公式輸出旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度
權(quán)利要求
1.一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺，能夠安裝于旋轉(zhuǎn)體，其特征在于，包括 第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件，第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件，以及分別和所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件和所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的信號(hào)處理電路；其中，所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件和所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件互相垂直安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺，其特征在于，所述信號(hào)處理電路包括與所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的第一信號(hào)調(diào)理電路； 與所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件連接的第二信號(hào)調(diào)理電路； 分別與所述第一信號(hào)調(diào)理電路和第二信號(hào)調(diào)理電路連接的數(shù)字信號(hào)處理電路，用于接收所述第一信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第一電信號(hào)和第二信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第二電信號(hào)，根據(jù)所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)輸出所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度、和/或所述旋轉(zhuǎn)體的橫向角速度大小和方位角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理電路根據(jù)如下公式輸出所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理電路根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度和的橫向角速度獲得所述旋轉(zhuǎn)體的偏航和俯仰角速度。
5.一種信號(hào)處理電路，其特征在于，包括信號(hào)接收單元，用于接收根據(jù)所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第一電信號(hào)，接收根據(jù)所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第二電信號(hào)；滾動(dòng)角速度確定單元，用于根據(jù)所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)輸出旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度；橫向角速度確定單元，用于根據(jù)所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)輸出所述旋轉(zhuǎn)體的橫向角速度大小和方位角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的信號(hào)處理電路，其特征在于，所述滾動(dòng)角速度確定單元根據(jù)如下公式輸出所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的信號(hào)處理電路，其特征在于，還包括偏航俯仰角速度確定單元，用于根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度和橫向角速度確定所述旋轉(zhuǎn)體的偏航角速度和俯仰角速度。
8.一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺的信號(hào)處理方法，其特征在于，包括 接收根據(jù)第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第一電信號(hào)； 接收根據(jù)第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件的角速度輸出的第二電信號(hào)；根據(jù)所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)輸出所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度、和/或所述旋轉(zhuǎn)體的橫向角速度大小和方位角；其中，所述第一無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件和所述第二無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)角速度敏感元件互相垂直安裝。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的信號(hào)處理方法，其特征在于根據(jù)如下公式輸出所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的信號(hào)處理方法，其特征在于，還包括根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)角速度和橫向角速度確定所述旋轉(zhuǎn)體的偏航角速度和俯仰角速度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺及其信號(hào)處理電路和信號(hào)處理方法，可以應(yīng)用于對(duì)飛行器、汽車輪胎、鉆井平臺(tái)等旋轉(zhuǎn)體的角速度和角度測(cè)量和控制技術(shù)領(lǐng)域。該微機(jī)械陀螺包括互相垂直安裝的敏感元件A和B、以及信號(hào)處理電路C。敏感元件A和敏感元件B均是無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的硅微機(jī)械敏感元件，由外框、硅擺、上電極板、下電極板組成。信號(hào)通過(guò)處理電路，利用正交頻率檢測(cè)算法，消除低頻信號(hào)對(duì)載波頻率的影響，實(shí)時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體橫向角速度和滾動(dòng)角速度。根據(jù)獲得的滾動(dòng)角速度、橫向角速度大小及方位角，通過(guò)彈體坐標(biāo)系變換算法，求出相對(duì)于準(zhǔn)彈體坐標(biāo)系的偏航和俯仰角速度，以及偏航和俯仰角度。
文檔編號(hào)G01C19/56GK102175234SQ20111002362
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者劉宇, 單言豐, 張偉, 張福學(xué), 謝長(zhǎng)生 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)