[发明专利]一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统

说明书

本发明公开了一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统，通过输入已知规律的角速度，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小辨识出驱动电极未对准角度误差，建立基于角速度解调的电极角度误差闭环补偿系统，将所述驱动反馈力与所述驱动反馈力补偿系数的乘积叠加在所述同相反馈力上，实现所述检测电极未对准角度误差的补偿；同理实现所述驱动电极未对准角度误差的补偿；基于辨识结果与反馈力信号实现了驱动控制回路与检测控制回路的解耦，提升了振动陀螺的稳定性与标度因数非线性度等指标，操作简单。

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，特别是涉及一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。传统的陀螺仪包括机械转子陀螺、静电陀螺、半球谐振陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、动力调谐陀螺等，它们虽然精度高，但体积、功耗、价格等方面难以满足要求。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有体积小、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。但与传统陀螺仪相比，目前MEMS陀螺仪的精度还不够高，应用主要局限于智能手机、微型无人机、汽车稳定控制、微惯性/卫星组合导航系统等传统领域。卫星导航抗干扰抗欺骗、室内导航、微小型水下无人平台、单兵定位、地下随钻定向系统等新兴领域对高性能、小体积、低功耗、低成本微陀螺仪提出了迫切需求。

嵌套环式MEMS振动陀螺是全世界首个达到导航级精度的硅微陀螺，性能与激光陀螺和光纤陀螺相当，并且其沿用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面具有极大的优势。嵌套环式MEMS振动陀螺是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，其充分利用了结构面积，显著增大了惯性质量、电极数量和品质因数，使其具有很高的灵敏度和精度潜力。嵌套环式MEMS振动陀螺理论上是一种全对称结构的微陀螺，但由于加工误差等因素的影响，使得陀螺的对称性不可避免的存在缺陷，其中电极不对称就是上述缺陷的一种。如图3所示，图中给出了电极不对称的示意图。从图中可知，由于电极不对称误差，电极中心偏离理想轴线(即定义的x轴)，因此施加在电极上的力也是偏离理想方向的，如图4所示。理想情况下，驱动轴与检测轴方向的力是正交的，但是当存在电极未对准角度误差时，驱动控制回路与检测控制回路的反馈力会发生耦合，影响振动陀螺性能。

美国波音公司在专利[Yong Liu,Anthony Dorian Challoner.Electronic BiasCompensation for a Gyroscope[P].European Patent:2615416 A2,2013.]中提出了一种估计电极角度未对准误差的方法，但该方法需要陀螺分别测试三个不同振型方向工作状态下的零偏数据，工作过程复杂，对控制系统要求较高。因此，有必要设计一种操作简单、无需更改陀螺工作模式的振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种基于给定输入角速度激励的振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法及系统，通过输入已知规律的角速度，根据驱动反馈力和同相反馈力信号的响应辨识电极未对准角度误差，并基于辨识结果实现耦合信号的消除。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种振动陀螺电极角度误差的辨识与补偿方法，所述方法包括：

输入已知规律的角速度并在所述角速度的激励下提取陀螺系统中驱动反馈力和同相反馈力分别产生的同规律响应大小，根据所述驱动反馈力和同相反馈力各自的同规律响应大小的比值辨识出检测电极未对准角度误差；

根据所述的检测电极未对准角度误差辨识结果，得到检测电极未对准角度误差的大小，并测得所述检测电极未对准角度误差补偿前后的标度因数，根据补偿前后两次标度因数的比值以及检测电极未对准角度误差的大小，辨识出驱动电极未对准角度误差；