專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于角速率陀螺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐘形振子式角速率陀螺的信號(hào)提取方法。
背景技術(shù)：
陀螺作為敏感載體角運(yùn)動(dòng)的慣性器件，是慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)的核心部件?；诟缡狭υ淼恼駝?dòng)陀螺具有所有的慣性品質(zhì)，其在慣性技術(shù)領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要，已被人們當(dāng)作新一代的慣性?xún)x表受到廣泛的關(guān)注。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，各種振動(dòng)陀螺相繼出現(xiàn)。專(zhuān)利號(hào)為ZL201010215745. 1，發(fā)明名稱(chēng)為鐘形振子式角速率陀螺的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N鐘形振子式角速率陀螺，該鐘形振子式角速率陀螺是一種基于哥氏力原理的振動(dòng)陀螺，其敏感器件采用熔融石英材料的鐘形諧振子。目前，基于該鐘形振子式角速率陀螺的信號(hào)提取方法設(shè)計(jì)，是采用單一傳感器進(jìn)行測(cè)量，而且沒(méi)有具體給出陀螺信號(hào)提取方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)單一傳感器造成的陀螺漂移信號(hào)大、溫度特性差、分辨率低等缺點(diǎn)，同時(shí)也為了彌補(bǔ)鐘形振子式角速率陀螺測(cè)量領(lǐng)域的空白。提供了一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，該方法降低了陀螺漂移、提高了溫度特性和陀螺輸出分辨率。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，包括以下步驟
步驟I，對(duì)壓電片A、壓電片E構(gòu)成的 > 軸向施加振子激勵(lì)信號(hào)；
步驟2，提取壓電片C、壓電片G、壓電片D、壓電片H和8個(gè)電容傳感器信號(hào)；
步驟3，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行融合，計(jì)算軸向、軸向&、軸向Jk、軸向的輸出信號(hào)；
步驟4，利用軸向Xp上的輸出信息，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度穩(wěn)定控制和頻率穩(wěn)定控制；
步驟5，利用軸向)^上的輸出信息，計(jì)算正交誤差和速率誤差；
步驟6，對(duì)計(jì)算的正交誤差和速率誤差進(jìn)行合成，生成軸向方向上的控制力矩，同時(shí)輸出輸入角速率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)本發(fā)明提供的鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，是對(duì)鐘形振子進(jìn)行分析，利用其振動(dòng)特性對(duì)輸入角速率進(jìn)行解算；
(2)本發(fā)明提供的鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，采用電容傳感器和壓電傳感器復(fù)合檢測(cè)，提高了陀螺整體性能；
(3)本發(fā)明提供的鐘形振子式角速率陀螺振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法彌補(bǔ)單一傳感器造成的陀螺漂移信號(hào)大、溫度特性差、分辨率低等缺點(diǎn)，同時(shí)也為了彌補(bǔ)鐘形振子式角速率陀螺測(cè)量領(lǐng)域的空白。提供了一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，該方法降低了陀螺漂移、提高了溫度特性和陀螺輸出分辨率。


圖1為鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法流程 圖2為鐘形振子式角速率陀螺傳感器布局剖視 圖3為鐘形振子振動(dòng)效果示意圖。
具體實(shí)施例方式鐘形振子式角速率陀螺的原理是利用發(fā)生諧振的鐘形振子旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的振型角度的進(jìn)動(dòng)，來(lái)確定陀螺基座繞慣性空間旋轉(zhuǎn)的角度。為使鐘形振子能產(chǎn)生環(huán)向波數(shù)的理想振型，必須準(zhǔn)確地控制鐘形振子的激振頻率，而這一頻率正是鐘形振子在該振型下的 固有頻率，使得到的鐘形振子能產(chǎn)生理想振型，從而敏感輸入角速率。鐘形振子的傳感器分布如圖2所示。8個(gè)壓電片壓電片A(l_2)、壓電片B(l_5)、壓電片C (1-8)、壓電片D (1-11)、壓電片E (1-14)、壓電片F(xiàn) (1-16)、壓電片G (1-18)、壓電片H (1-20)均勻分布在鐘形振子(1-4)外表面；8個(gè)電容傳感器電容傳感器A (1-3)、電容傳感器B (1-6)、電容傳感器C (1-9)、電容傳感器D (1-13)、電容傳感器E (1-15)、電容傳感器F (1-17)、電容傳感器G (1-19)、電容傳感器H (1-20)均勻分布在鐘形振子式角速率陀螺的中軸上，與鐘形振子內(nèi)壁(1-4)有5 u m間距。在鐘形振子振動(dòng)過(guò)程中，振子邊緣
會(huì)產(chǎn)生四波腹振動(dòng)，形成4個(gè)固有剛性軸系軸向V，(1-1)、軸向3 (1-10)、軸向I (1-7)和軸向 (1-12)。本發(fā)明提供的鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法的流程如圖1所示，具體如下
步驟1，對(duì)壓電片A (1-2)、壓電片E (1-14)構(gòu)成的軸向(1-1)施加振子激勵(lì)信號(hào)；經(jīng)過(guò)計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)，鐘形振子的固有頻率為6658. 5Hz。由控制電路施加頻率為6658. 5Hz、幅值為IOV的正弦信號(hào)在壓電片A (1-2)、壓電片E (1-14)上，即在軸向Xn (1-1)
施加激勵(lì)信號(hào)，待穩(wěn)定后，振子進(jìn)入諧振狀態(tài)。在軸向(1-1)與軸向Xp (1-10)方向上產(chǎn)
生四波腹振動(dòng)，在振型A (2-1)與振型B (2-2)之間快速切換，如圖3所示。激勵(lì)信號(hào)數(shù)學(xué)描述如下
x&t = AxisH2^fj)
其中，尨=IOf,,厶=66紙Sfe。步驟2，提取壓電片C (1-8)、壓電片G (1-18)、壓電片D (1-11)、壓電片H (1-14)和8個(gè)電容傳感器信號(hào)；
利用壓電片信號(hào)采集電路對(duì)壓電片C (1-8)、壓電片G (1-18)、壓電片D (1-11)、壓電片H (1-14)進(jìn)行信號(hào)采集。利用電容傳感器采集電路對(duì)電容傳感器A (1-3)、電容傳感器B (1-6)、電容傳感器C (1-9)、電容傳感器D (1-13)、電容傳感器E (1-15)、電容傳感器F(1-17)、電容傳感器G (1-19)、電容傳感器H (1-20)進(jìn)行信號(hào)采集。步驟3，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行融合，計(jì)算軸向Xij (1-1)、軸向1 (1-10)、軸向I(1-7)、軸向(1-12)的輸出信號(hào)；
壓電片C (1-8)與壓電片G (1-18)均為測(cè)量軸向X、的輸出信號(hào)，故將壓電片C (1-8)與壓電片G (1-18)進(jìn)行差分處理，得出壓電傳感器測(cè)量出的軸向& (1-10)的壓電輸出信號(hào);壓電片D (1-11)與壓電片H (1-14)均為測(cè)量軸向(1-12)的壓電輸出信號(hào)，故將壓電片D (1-11)與壓電片H (1-14)進(jìn)行差分處理，得出壓電傳感器測(cè)量出的軸向(1-12)的壓電輸出信號(hào)。電容傳感器A (1-3)與電容傳感器E (1-15)通過(guò)差分電容檢測(cè)電路，測(cè)量軸向(1-1)的電容輸出信號(hào);電容傳感器B (1-6)與電容傳感器F (1-17)通過(guò)差分電容檢測(cè)電路，測(cè)量軸向^ (1-7)的電容輸出信號(hào);電容傳感器C (1-9)與電容傳感器G (1-19)通過(guò)差分電容檢測(cè)電路，測(cè)量軸向& (1-10)的電容輸出信號(hào);電容傳感器D (1-13)與電容傳感器H (1-20)通過(guò)差分電容檢測(cè)電路，測(cè) 量軸向(1-12)的電容輸出信號(hào)。對(duì)于軸向 (1-1)，其上壓電片A (1-2)和壓電片E (1-14)激勵(lì)振子振型，不負(fù)責(zé)振型檢測(cè)，故在該軸系上缺少壓電檢測(cè)數(shù)據(jù)。由于在同一檢測(cè)環(huán)上，軸向Xn (1-1)與軸向)(1-1)的上壓電輸出信號(hào)在幅值上相等，相位上相差I(lǐng)，故可通過(guò)對(duì)軸向Xp (1-1)的壓
電輸出信號(hào)進(jìn)行相移處理，得出虛擬的軸向(1-1)上的壓電輸出信號(hào)。通過(guò)對(duì)壓電檢測(cè)電路與差分電容檢測(cè)電路的前期調(diào)'!V，使各壓電輸出信號(hào)與各電容輸出信號(hào)處于同一敏感區(qū)間，即對(duì)應(yīng)測(cè)得的軸向位移為同一標(biāo)度因數(shù)。所以，可通過(guò)軸內(nèi)> C1-1)上
的壓電輸出信號(hào)_pie和電容輸出信號(hào)Xn _e得，生成軸向(卜1 )的實(shí)際敏感信號(hào)
- 2 + 尤_—)( 1 )
同理，軸向(1-7)，其上壓電片B (1-5)和壓電片F(xiàn) (1-16)負(fù)責(zé)提供振子工作所需的正交控制與速率控制，不負(fù)責(zé)振型信號(hào)檢測(cè)。由于在同一檢測(cè)環(huán)上，軸向/ (1-7)與軸向yp (1-12)的上壓電輸出信號(hào)在幅值上相等，相位上相差I(lǐng)故可通過(guò)對(duì)軸向JFn (1-7)的壓電輸出信號(hào)進(jìn)行相移處理，得出虛擬的軸向I (1-7)上的壓電輸出信號(hào)。通過(guò)對(duì)壓電檢測(cè)電路與差分電容檢測(cè)電路的前期調(diào)節(jié)，使各壓電輸出信號(hào)與各電容輸出信號(hào)處于同一敏感區(qū)間，即對(duì)應(yīng)測(cè)得的軸向位移為同一標(biāo)度因數(shù)。所以，可通過(guò)軸向I (1-7)上
的壓電輸出信號(hào)和電容輸出信號(hào)，生成軸向Jn (1-7)的輸出信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，其特征在于包括以下步驟， 步驟1，對(duì)壓電片A、壓電片E構(gòu)成的、軸向施加振子激勵(lì)信號(hào)； 步驟2，提取壓電片C、壓電片G、壓電片D、壓電片H和8個(gè)電容傳感器信號(hào)； 步驟3，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行融合，計(jì)算軸向\、軸向\、軸向Jr、軸向的輸出信號(hào)； 步驟4，利用軸向上的輸出信息，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度穩(wěn)定控制和頻率穩(wěn)定控制； 步驟5，利用軸向)^上的輸出信息，計(jì)算正交誤差和速率誤差； 步驟6，對(duì)計(jì)算的正交誤差和速率誤差進(jìn)行合成，生成軸向凡方向上的控制力矩，同時(shí)輸出輸入角速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，其特征在于在步驟2中，利用壓電片信號(hào)采集電路對(duì)壓電片C、壓電片G、壓電片D、壓電片H進(jìn)行信號(hào)采集；利用電容傳感器采集電路對(duì)8個(gè)電容傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐘形振子式角速率陀螺信號(hào)提取方法，其特征在于在步驟3中， 通過(guò)軸向上的壓電輸出信號(hào)I和電容輸出信號(hào)，生成軸向的實(shí)際敏感信號(hào)
全文摘要
一種鐘形振子式角速率陀螺的信號(hào)提取方法，包括(1)對(duì)壓電片A、壓電片E構(gòu)成的軸向施加振子激勵(lì)信號(hào)；(2)提取壓電片C、壓電片G、壓電片D、壓電片H和8個(gè)電容傳感器信號(hào)；(3)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行融合，計(jì)算軸向、軸向、軸向、軸向的輸出信號(hào)；(4)利用軸向上的輸出信息，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度穩(wěn)定控制和頻率穩(wěn)定控制；(5)利用軸向上的輸出信息，計(jì)算正交誤差和速率誤差；(6)對(duì)計(jì)算的正交誤差和速率誤差進(jìn)行合成，生成軸向方向上的控制力矩，同時(shí)輸出輸入角速率。本發(fā)明彌補(bǔ)了單一壓電器件對(duì)陀螺輸出信息的影響，提高了鐘形振子式角速率陀螺的設(shè)計(jì)精度，為鐘形振子式角速率陀螺的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK103017748SQ201210509680
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者劉寧, 鄧志紅, 蘇中, 付夢(mèng)印, 李擎, 劉洪 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué), 北京理工大學(xué)