[发明专利]微陀螺仪的自适应反演控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微陀螺仪的控制系统及方法，特别是涉及微陀螺仪的自适应反演控制系统及方法。

背景技术

微陀螺仪（MEMS Gyroscope）是利用微电子技术和微加工技术加工而成的用来感测角速度的惯性传感器。它通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注，例如，陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。但是，由于生产制造过程中不可避免的加工误差以及环境温度的影响，会造成原件特性与设计之间的差异，导致微陀螺仪存在参数不确定性，难以建立精确的数学模型。再加上工作环境中的外界扰动作用不可忽略，使得微陀螺仪的轨迹追踪控制难以实现，且鲁棒性较低。传统的控制方法完全基于微陀螺仪的名义值参数设计，且忽略正交误差和外界扰动的作用，虽然在大部分情况下系统仍是稳定的，但追踪效果远不理想，这种针对单一环境设计的控制器具有很大的使用局限性。

国内对于微陀螺仪的研究目前主要集中在结构设计及制造技术方面，以及上述的机械补偿技术和驱动电路研究，很少出现用先进控制方法补偿制造误差和控制质量块的振动轨迹，以达到对微陀螺仪的完全控制和角速度的测量。国内研究微陀螺仪的典型机构为东南大学仪器科学与工程学院及东南大学微惯性仪表与先进导航技术重点实验室。

国际上的文章有将各种先进控制方法应用到微陀螺仪的控制当中，典型的有自适应控制和滑模控制方法。这些先进方法一方面补偿了制作误差引起的正交误差，另一方面实现了对微陀螺仪的轨迹控制。但传统的自适应控制设计过程较为复杂，计算量大，且对外界扰动的鲁棒性很低，易使系统变得不稳定。

由此可见，上述现有的陀螺仪在使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的陀螺仪在使用上存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的微陀螺仪控制方法存在的缺陷，特别是在存在模型不确定、参数摄动以及外界噪声等各种干扰情况下，为提高微陀螺仪系统对参考轨迹的跟踪性能并估计出外界角速率以及简化控制系统的设计过程，而提供一种微陀螺仪的自适应反演控制系统及方法。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的，微陀螺仪的自适应反演控制系统，包括：

参考轨迹模块（101），用于输出微陀螺仪两轴振动的参考轨迹，包括位置、速度及加速度信号；

中间信号生成模块（102），用于接收参考轨迹及微陀螺仪系统的输出，并产生自适应反演控制器设计过程中的中间信号输出；

自适应反演控制器（103），用于接收中间信号，并产生自适应反演控制器输出；

参数自适应机制模块（104），用于接收中间信号，并产生自适应反演控制器参数更新算法；

角速度估计模块（105），用于接收参数自适应机制模块的输出信号，并产生外界角速度估计值输出；

微陀螺仪系统（106），被控对象的数学模型，考虑了机械噪声的影响，接收自适应反演控制器输出信号，输出微陀螺仪振动部件的位置和速度信息。

基于微陀螺仪的自适应反演控制系统的控制方法，包括以下步骤，

1）基于反演设计方法，建立微陀螺仪的无量纲动力学模型；

2）设计自适应反演控制器；

3）设计参数自适应算法；

4）角速度估计模块（105）基于所述步骤3）的自适应算法计算输入角速率的实时估计值。

前述的步骤1），建立微陀螺仪的无量纲动力学模型，具体为：

1-1）考虑机械噪声的存在，两轴微陀螺仪的动力学方程的无量纲向量形式为：