[发明专利]一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺

说明书

本发明公开了一种谐振式微陀螺多模态协同控制方法、系统及谐振式微陀螺，该方法包括：系统控制参数产生驱动控制信号和检测控制信号经调制后加在驱动、检测电极上，发出低阶激励信号激励谐振结构在工作模态振动；陀螺正常工作后，预设泵浦参数产生泵浦信号加在泵浦电极上，发出边带激励信号，激发高阶耦合模态；对陀螺工作模态运动状态分析得到实时品质因数；在实时品质因数与目标之差大于阈值时，根据陀螺响应信号对驱动控制参数、检测控制参数以及泵浦参数进行调整，并重复以上步骤，直到实时品质因数与目标之差达到阈值；完成品质因数的调整。用于解决现有技术中不能对陀螺品质因数进行动态调控等问题，实现调控并提高陀螺机械灵敏度。

技术领域

本发明涉及谐振式微陀螺技术领域，具体是一种基于模态耦合效应的谐振式微陀螺多模态协同控制方法、控制系统及包含该控制系统的谐振式微陀螺。

背景技术

谐振式微陀螺仪是测量载体相对于惯性空间旋转运动的角速度的传感器，也是运动测量、惯性导航、制导控制、智能控制等应用领域中的基础核心器件。随着其结构设计和加工制造等相关技术的发展，谐振式微陀螺仪广泛应用于军事和商业领域。谐振式微陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等显著的结构优势，特别适用于需求量大、追求成本低的应用领域。研究和发展高性能谐振式微陀螺仪，满足发展工业装备和国防力量的迫切需求，具有重要的意义和应用价值。

谐振式微陀螺作为一种利用科里奥利力效应敏感外界角速度变化的谐振器，其基本工作原理基于1853年由法国科学家科里奥利提出的哥氏效应，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生偏移的一种描述。谐振式微陀螺在不同的频段具有多个振动模态，在其本征模态频率处谐振器的响应将得到放大。谐振式微陀螺主要利用两个互为正交关系的模态作为驱动模态和检测模态来敏感外界角速度的信息，其性能与工作模态的特性息息相关。以嵌套环式谐振式微陀螺为例，其主要工作原理如图1所示：谐振结构在椭圆模态保持恒幅振动，参见图1箭头左侧的视图；当角速度作用于谐振结构轴向时，谐振结构上所有的运动微元均受到哥氏力的作用，其方向可由右手法则确定，大小与振动的速度和输入的角速度成正比，哥氏力的合力沿45°方向从而激励出了驱动椭圆模态的简并模态，参见图1中箭头右侧的视图。简并模态振动的幅值与输入角速度的大小成正比，通过解调简并模态的振动，就可得到角速度的大小，实现对外界运动的敏感。

品质因数是谐振式微陀螺仪的重要性能指标，反映了谐振器的能量在一个周期内的损耗情况，用以表征谐振结构的阻尼特性。一般而言，MEMS谐振结构的主要阻尼项包括热弹性阻尼、支撑损耗以及空气阻尼等，主要由谐振结构的结构形状、模态振型、运动状态以及封装工艺而决定。因此，对于实际工作在某一特定模态下的谐振结构，其品质因数特性是确定的，是由谐振结构工作特性和设计加工阶段所共同决定的。在陀螺仪加工完成之后，其品质因数是确定的，暂时无法改变的。现有解决方案，主要是通过优化结构设计和高真空封装工艺的方式，对陀螺仪谐振结构的阻尼项进行抑制，提升品质因数，但是对于已加工完成的陀螺仪谐振结构缺乏有效的品质因数调控手段。

模态耦合效应是MEMS谐振结构中一种独特的非线性振动现象，谐振器不同的模态之间不再相互独立，而是相互关联在一起，任一模态的状态发生改变都会影响其它模态的特性。谐振器同阶模态以及不同阶模态之间的耦合效应可以对谐振器的工作模态进行动力学操控，通过改变激励电压的幅值或者施加泵浦信号的形式，可以调节各模态之间的能量交互，进一步提升其品质因数，降低其量子噪声，从而提升微机械谐振器的精度。利用模态耦合效应可以对结构中各模态的能量进行调控，实现“参数放大”(参见图2a)、“机械冷却”(参见图2b)、“动态压缩”(参见图2c)、“频率锁定”、“模态能量搬移”等独特效应，为进一步提升谐振式微陀螺仪的品质因数特性提供了理论支持。