一种用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振控制方法，属惯性导航、制导及 控制领域。
【背景技术】
[0002] 激光陀螺是利用萨格纳(Sagnac)效应测量惯性空间角速率的惯性敏感装置。具有 启动快，动态范围宽，稳定性好，抗冲击振动和数字化输出等优点，已经广泛应用于航空、航 天、陆地及海洋上的姿态测量、定位定向等系统中。为了克服激光陀螺特有的锁区效应，目 前广泛使用的方法是机械抖动偏频法。利用装在激光陀螺谐振腔中心孔中的机械抖动装置 做周期性的往复抖动，使激光陀螺的输入角速率快速通过锁区，甚至不经过锁区，从而达到 消除闭锁效应的目的。但是这种机械抖动偏频法因为有活动部件从而对安装结构的设计提 出了比较高的要求，由于激光陀螺机械抖动装置的安装是捷联式的，即机械抖动装置直接 安装在安装基座上，如果安装基座的质量和刚度比较大，机械抖动装置对安装基座的影响 以及安装基座上其它振动源对机械抖动装置的影响还不是很明显，但当安装基座的质量和 刚度相对较小时，机械抖动装置和安装基座两者之间的相互影响就会成为制约机抖激光陀 螺在小型化、轻量化系统上应用的主要因素，而且会引起惯性导航系统中三个机抖激光陀 螺和安装基座之间严重的振动耦合，加大系统误差中的圆锥误差效应，降低惯性导航系统 的精度，同时对载体上其他高精度的测量设备产生不利影响。
[0003] 通过主动消振的方式来降低甚至消除机抖激光陀螺机械抖动装置对安装基座和 外围设备的影响是解决机抖激光陀螺大规模推广应用的有效方法。文献1(王可东等，"机抖 式激光陀螺基础振动消除研究"，《惯性技术学报》，2002年，第10卷第6期，第62-67页)介绍 了一种通过配重质量消除安装基座抖动的方案，该方案利用在机抖激光陀螺和配重质量之 间以及安装基座和配重质量之间增加弹簧的方式来消除激光陀螺机械抖动装置对安装基 座的抖动力，该文献指出只要合理地选择不同的抖动参数，对配重质量、弹簧刚度进行优化 设计就可以高精度地消除安装基座的振动。但是在设计配重质量和弹簧刚度时不仅要考虑 配重质量与激光陀螺本身的惯量相匹配，而且还要考虑到弹簧的可加工性，这无疑增加了 整个产品研制和生产的周期和成本。
[0004] 文献2(美国专利：US4115004,Thomas J.Hutchings，et al · "Counterbalanced Oscillating Ring Laser Gyro"）介绍了一种四方形结构的激光陀螺并指出其相比三角形 结构的激光陀螺有较小的背向散射，同时也提出了一种利用在机械抖动装置内部增加反 向消振配重的方式来抵消机械抖动装置从安装盒体到系统周围振动敏感的电气元件和仪 器设备的影响。该专利指出这种带有反向消振配重方式的四方形结构激光陀螺可以带来三 个优势:一是提高激光陀螺的敏感度;二是减小激光陀螺的体积;三是可以有效地减少机械 抖动装置对系统其它元件的振动传递。但是该专利描述的反向消振配重结构比较复杂，系 统谐振频率的品质因数相对较小，起振困难，对外界的抗干扰能力也较弱，而且对于惯性导 航系统来说，要求三个自由度方向上的激光陀螺必须安装在同一个安装基座上，因此未消 除的残余抖动会由于频率相近而产生耦合效应，影响惯性导航系统的输出精度。
[0005] 文献3(国家发明专利:CN 102235158 B，【申请号】201010169749.0,上海微电子装 备有限公司，吴立伟等，一种主动减震隔振装置)公开了一种主动减震隔振装置，通过使用 非线性的分数阶天棚阻尼控制技术，将被隔振对象的速度信号转换成天棚阻尼力信号作用 于被隔振对象，从而实现被隔振对象的低振动传递率和高衰减率的隔振效果，能提高阻尼 控制的鲁棒性，改善减震隔振装置的动力学特性。该文献利用多个速度传感器，将隔振平台 上的物理轴速度调节成物理轴天棚阻尼力信号，通过多个驱动力执行器将物理轴天棚阻尼 力信号作用于所述隔振平台，以实现对隔振平台进行的实时调节和补偿。然而该装置的信 号控制是通过复杂的转换矩阵单元和模拟控制模块来实现，不利于实现控制的程序化的结 构的小型化、一体化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对机抖激光陀螺的特点，提供一种新的机抖激光陀螺主动式抖 动消振信号处理方法，以简化实际参数调整的复杂过程，缩短主动式抖动消振的建立时间， 提尚控制精度。
[0007] 本发明的技术方案为:一种用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振控制方法：
[0008] 在安装有机抖激光陀螺的安装壳体底部空间内，从中心基座到安装壳体的外壳壁 之间设置N个相等间隔的消振质量辐条，N个消振质量辐条关于中心基座的中心呈旋转对 称；
[0009] 每个消振质量辐条的两侧均设置有压电陶瓷片，其中一片用于检测机抖激光陀螺 机械抖动装置产生的抖动信号，然后输入到处理器；
[0010] 处理器按下式输出主动消振驱动电压信号并加载到其余的2N-1片压电陶瓷片上：
[0011] u{i) = -^e ι/ Γ! ' ?{τ)?1τ ^ ο ? \ c? L·, 十.
[0012] g =m2 -厂J-s----2- + l J , L· (〇' ' v v m2.J y T c2^Jk2/m2
[0013] r-f -, "〇 or-:
[001 4]其中：Π 12表;^机抖激光陀螺安装壳体的质量，k2、C2表;^机抖激光陀螺安装壳体消 振质量辐条的刚度和阻尼，ω为机抖激光陀螺机械抖动装置的抖动频率，t、τ为时间参数，y 为消振质量辐条的抖动位移。
[0015]所用机抖激光陀螺满足下式： Λ 一 1 θ Ο k.hn, λ -\- h!m. -k. hn ~h /m.
[0016] l!a1r' 1 11 1 -〇 0 0 Λ -1 -k' j ⑴义 -/)| I in, -(? +Λ;)Ζ"厂 1 '/? -、h-' h，、j r!ii
[0017] 其中，mi表示机抖激光陀螺抖动轮组件的质量，m2表示机抖激光陀螺安装壳体的质 量，表示机抖激光陀螺抖动轮组件的刚度和阻尼，1?、13 2表示消振质量辐条的刚度和阻 尼。
[0018] 所述N为4的倍数。
[0019] 所述压电陶瓷片检测到的抖动信号，通过A/D转换器转换成电压信号输入到处理 器。
[0020] 所述主动消振驱动信号通过信号放大器加载到其余的2N-1片压电陶瓷片上。
[0021 ]本发明提供的一种机抖激光陀螺，包括安装壳体，安装壳体底部中心设中心基座，
[0022] 在安装壳体底部空间内，从中心基座到安装壳体的外壳壁之间设置N个相等间隔 的消振质量辐条，N个消振质量辐条关于中心基座的中心呈旋转对称；
[0023] 每个消振质量辐条的两侧均设置有压电陶瓷片，其中一片用于检测机抖激光陀螺 机械抖动装置产生的抖动信号，然后输入到处理器；
[0024]其余的2N-1片压电陶瓷片通过信号线连接，用于接收处理器输出的主动消振驱动 信号；
[0025] 各组件满足下式： 又 一 1 0 0： k. hn. λ + h. /m. -kjm. -h jm.
[0026] 1/1 1/1 '： 1 1/1 = 0 0 0 A -1 -k' jin! -b, Iiti-, -(^i + he \Juir, λ-.(/，丨十
[0027] 其中，mi表示机抖激光陀螺抖动轮组件的质量，m2表示机抖激光陀螺安装壳体的质 量，表示机抖激光陀螺抖动轮组件的刚度和阻尼，1?、13 2表示消振质量辐条的刚度和阻 尼。
[0028] 本发明为了达到最大限度地消除机抖激光陀螺机械抖动装置之间以及和安装基 座之间的相互影响的目的，通过一体化的结构设计，使主动式抖动消振信号处理算法集中 在一小片电路板上运行。同时在电路板上的抖动信号采集处理器中嵌入新的抖动消振控制 算法实现对传递到机抖激光陀螺安装壳体上抖动信号的精确控制。这种新的控制算法将实 验测得的系统质量、刚度、阻尼矩阵作为常量，将测量得