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CN114370886A - 基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法 - Google Patents

基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法，在全角模式下进行如下步骤：步骤S1，在第一时刻，向振动陀螺施加一虚拟进动电压V，此时驻波的理想进动角速度为Ωvirt；步骤S2，在虚拟进动电压V作用下，使振动陀螺的驻波进动n°，得到数组(ti，θi)；步骤S3，计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)；步骤S4，计算各数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)；步骤S5，通过ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。本发明利用控制回路施加虚拟进动，实现了陀螺仪在不同使用环境以及时间下的误差的分布函数和误差幅值自标定。

Description

基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法
技术领域
本发明涉及振动陀螺标定技术领域，特别涉及一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法。
背景技术
固体振动陀螺具有高精度、长寿命以及高可靠性的特点。但随着使用环境和使用时长的变化，陀螺仪的关键参数如标度因子、零偏等均会出现不稳定性。因而必须要对陀螺仪进行标定，从而减小测量误差。传统陀螺仪标定方法需要专门的标定人员和设备，不具有自主性。
全角模式振动陀螺是一种新型的振动陀螺工作模式，具有大动态、直接角度输出等优点。全角模式，振动陀螺的振动方位随着载体旋转而发生进动，理想情况下，陀螺载体旋转角度
Figure BDA0003369388590000011
与振动进动角度dθ的关系为
Figure BDA0003369388590000012
或者写成微分形式有
Figure BDA0003369388590000013
其中K表示陀螺仪的进动因子，
Figure BDA0003369388590000014
表示对时间求微分。
通过直接计算振动方位，就可以得到外界的转动角度，或对振动方位进行微分就可得到外界转动角速度。但在振动陀螺中，由于非理想因素如频率裂解、阻尼不对称性等误差因素的存在，使得振动陀螺在全角模式下出现测量误差。考虑误差因素后，以上则可以写为，
Figure BDA0003369388590000015
Figure BDA0003369388590000016
其中F(θ)表示误差分布函数，∈表示误差幅值。若∈和F(θ)稳定，上述误差可以通过数学算法进行补偿。但随着环境或使用时长的变化，∈和F(θ)均会发生变化，因此需要对上述误差进行标定。
发明内容
针对全角模式振动陀螺仪标定问题，本发明提出一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法，利用控制回路施加虚拟进动，实现陀螺仪在不同使用环境以及时间下的误差的分布函数和误差幅值自标定。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法，在全角模式下进行如下步骤：
步骤S1，在第一时刻，向振动陀螺施加一虚拟进动电压V，此时驻波的理想进动角速度为Ωvirt；
步骤S2，在所述虚拟进动电压V作用下，使所述振动陀螺的驻波进动n°，得到数组(ti，θi)，其中ti表示采集第i个数据点的时刻，θi表示此时的驻波方位；
步骤S3，计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)；
步骤S4，计算各数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)；
步骤S5，通过ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。
进一步的，步骤S3采用以下公式计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)：
Figure BDA0003369388590000021
进一步的，对所述振动陀螺施加虚拟进动电压的方式如下：
所述振动陀螺的驱动电极分为x驱动电极和y驱动电极，在x驱动电极施加的驱动信号为Vvirtsin2θcosωt，在y驱动电极上施加的驱动信号为Vvirtcos2θcosωt，其中，Vvirt表示虚拟进动电压幅值，θ为所述振动陀螺的驻波方位角，ω为谐振子振动频率，t为时间。
进一步的，理想进动角速度为Ωvirt＝kVvirt，式中，k为虚拟进动电压和驻波进动角速度之间的比例因子，Vvirt为施加的虚拟进动电压幅值。
进一步的，n≤360。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过在全角模式下，对振动陀螺施加虚拟进动电压V，并采样各个时刻的驻波方位，计算得到各个时刻的驻波进动角速度Ωi(θi)，求得各时刻驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)，进而对ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。本发明不需要专门的标定人员和设备，能够实现陀螺仪在不同使用环境以及时间下的误差的分布函数和误差幅值自标定，且操作简便、计算简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明一实施例提供的基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法的流程图；
图2为半球谐振陀螺示意图；
图3为谐振子振动时形变示意图；
图4是自标定虚拟进动电压施加示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1所述，本发明提供了一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法，在全角模式下进行如下步骤：
步骤S1，在第一时刻，向振动陀螺施加一虚拟进动电压V，此时驻波的理想进动角速度为Ωvirt；
步骤S2，在所述虚拟进动电压V作用下，使所述振动陀螺的驻波进动n°，得到数组(ti，θi)，其中ti表示采集第i个数据点的时刻，θi表示此时的驻波方位；
步骤S3，计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)；
步骤S4，计算各数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)；
步骤S5，通过ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。
以下以半球谐振陀螺为例，对本发明进行详细阐述。可以理解的是，本发明的方法不限于半球谐振陀螺，也可以是其它类型的陀螺。
如图2所示，半球谐振陀螺中通常包含谐振子、驱动电极和检测电极。其中驱动电极分为x驱动电极和y驱动电极。陀螺仪工作时，谐振子上存在着振动驻波，如图3所示。
虚拟进动角速度的施加方式为：在x驱动电极施加的驱动信号为Vvirtsin2θcosωt，在y驱动电极上施加的驱动信号为Vvirtcos2θcosωt。其中Vvirt表示虚拟进动电压幅值，θ为陀螺仪的驻波方位角，ω为谐振子振动频率，t为时间。
此时即可获得虚拟进动角速度Ωvirt＝kVvirt，k为虚拟进动电压和驻波进动角速度之间的比例因子。
如图4所示，基于虚拟进动的振动陀螺测量误差自标定过程为：
第一步：在t1时刻，施加虚拟进动电压为Vvirt＝V1，此时驻波的理想进动角速度为Ωvirt。
而此时驻波的实际进动角速度为
Figure BDA0003369388590000041
∈、F(θ)为待求的误差分布函数和误差幅值。
第二步：在t1～t1+T时间内，在虚拟进动电压作用下，使驻波进动n°，得到数组(ti，θi)。
优选的，n≤360。
第三步：求解出第i个数据点下的驻波进动角速度，即
Figure BDA0003369388590000042
第四步：求解出θi下进动角速度Ωi与Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)，即
ΔΩi(θi)＝Ωi-Ωvirt。
第五步：通过ΔΩi(θi)拟合得到新的误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。
具体采用傅里叶拟合的方法，∈F(θ)＝a0+a1*sin4θ+b1*cos4θ+a2*sin8θ+b1*cos8θ，利用ΔΩi(θi)按照上式进行拟合即可。
在得到新的误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈后，可在陀螺测量过程中，采用新的误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈输出更正误差值。
综上所述，本发明通过在全角模式下，对振动陀螺施加虚拟进动电压V，并采样各个时刻的驻波方位，计算得到各个时刻的驻波进动角速度Ωi(θi)，求得各时刻驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)，进而对ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。本发明不需要专门的标定人员和设备，能够实现陀螺仪在不同使用环境以及时间下的误差的分布函数和误差幅值自标定，且操作简便、计算简单。。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法，其特征在于，在全角模式下进行如下步骤：
步骤S1，在第一时刻，向振动陀螺施加一虚拟进动电压V，此时驻波的理想进动角速度为Ωvirt；
步骤S2，在所述虚拟进动电压V作用下，使所述振动陀螺的驻波进动n°，得到数组(ti，θi)，其中ti表示采集第i个数据点的时刻，θi表示此时的驻波方位；
步骤S3，计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)；
步骤S4，计算各数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)与理想进动角速度Ωvirt之间的差值ΔΩi(θi)；
步骤S5，通过ΔΩi(θi)拟合得到误差分布函数F(θ)以及误差幅值∈。
2.如权利要求1所述的基于虚拟转动的力平衡模式振动陀螺零位自标定方法，其特征在于，步骤S3采用以下公式计算第i个数据点下的驻波进动角速度Ωi(θi)：
Figure FDA0003369388580000011
3.如权利要求1所述的基于虚拟转动的力平衡模式振动陀螺零位自标定方法，其特征在于，对所述振动陀螺施加虚拟进动电压的方式如下：
所述振动陀螺的驱动电极分为x驱动电极和y驱动电极，在x驱动电极施加的驱动信号为Vvirtsin2θcosωt，在y驱动电极上施加的驱动信号为Vvirtcos2θcosωt，其中，Vvirt表示虚拟进动电压幅值，θ为所述振动陀螺的驻波方位角，ω为谐振子振动频率，t为时间。
4.如权利要求1所述的基于虚拟转动的力平衡模式振动陀螺零位自标定方法，其特征在于，理想进动角速度为Ωvirt＝kVvirt，式中，k为虚拟进动电压和驻波进动角速度之间的比例因子，Vvirt为施加的虚拟进动电压幅值。
5.如权利要求1所述的基于虚拟转动的力平衡模式振动陀螺零位自标定方法，其特征在于，n≤360。
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