一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统与流程

1.本发明涉及微机械领域，具体涉及一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统。


背景技术：

2.随着智能设备的微型化和多样化发展，微机械元器件的需求在日益增加。微机械石英陀螺作为一种测量角速度的重要元器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心器件，具有成本低、精度高、易于集成的特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶工业等领域。由于陀螺仪在军事战略上的重要地位，世界各国都十分重视微机械陀螺仪技术的研究，相较于精度高但体积较大、成本高、制造困难的光纤陀螺等品类的陀螺，微机械陀螺仪虽然处在中低精度水平，但是潜力巨大。想要满足国内军事战略发展和消费电子市场的需求，提高微机械陀螺的精度并减小其尺寸是微机械陀螺仪发展的重点与难点，其中数字解调及补偿算法可以提高陀螺仪的整机性能，再通过混合集成可以有效减小器件体积，进而扩展微机械陀螺仪的使用场景。
3.在进行加工时，由于音叉结构的微机械石英陀螺仪敏感叉指与驱动叉指并不能做到完全对称，这会导致驱动端与敏感端之间产生机械耦合，从而在陀螺仪的输出信号中引入正交误差。正交误差对微机械石英陀螺仪输出信号的影响主要表现为引入一个相位偏移量，从而产生一个正交误差项，同时这个误差量会随着温度变化而变化。针对正交误差的补偿，目前有硬件补偿与软件补偿的方案。硬件补偿方案需要添加温度补偿电路、温度控制器件以及改变陀螺结构，这些方案会增大陀螺仪体积，增加陀螺仪功耗，且后期优化难度较大。软件补偿则多为通过各种算法对陀螺的输出信号进行处理，这些方案多在运算能力较强的上位机中实现，运算量较大，比较难应用到实际产品中。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是温度变化时正交误差对微机械石英陀螺仪的影响和优化石英陀螺仪零偏稳定性，目的在于提供能够有效解决上述问题的基于温度与相位补偿的解调优化方法。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种基于温度与相位补偿的解调优化方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在不同温度环境下使用温控转台对陀螺仪进行摆动测试，并记录测试过程数据；
8.步骤2：处理步骤1中所得测试过程数据并通过数据处理获得补偿相位值；
9.步骤3：依据步骤2中所得补偿相位值和温度建立温度
‑
补偿相位函数；
10.步骤4：将步骤3所得温度
‑
补偿相位函数写入陀螺控制系统中；
11.步骤5：结合陀螺控制系统采集的温度信息计算得出补偿相位值并加入解调前的
参考信号中。本发明提出的算法通过根据温度变化调整参考信号的相位来实现正交误差补偿：通过测试获取不同温度下参考信号的相位调节量；建立温度信息与相关解调中使用的参考信号之间的关系，并将温度
‑
补偿相位函数写入陀螺控制系统中来实现实时调节解调信号的相位，从而实现正交误差的补偿。
12.进一步的：步骤s1所述摆动测试包括测试点选择、箱内温度处理和参考相位值的调节。
13.进一步的：所述测试点选择方式为：在
‑
10℃到80℃的范围内每10℃选取一个测试点；
14.测试点选择完毕后将箱内温度稳定在测试点温度开始测试，测试过程中逐步调节参考相位值。
15.进一步的：所述测试过程数据包括iq两路信号，iq两路信号表示为：
[0016][0017][0018]
其中，为正交误差项，φ
e
为机械耦合带来的相位误差对应着参考相位值，a0、 a
c
、a
m
为各信号的幅值，ω为角速度信息值，n＇(t)为噪音值；
[0019]
当相位误差为0时，可以发现正交误差项为0，i路响应达到最大，而q路响应变为成为一个恒定值，此时的参考相位值即为当前温度下需要补偿相位值。
[0020]
进一步的：步骤2所述温度
‑
补偿相位函数关系式的建立：确定出每个测试点温度下的补偿相位值后，对温度和对应的相位补偿量进行拟合，发现音叉结构的微机械石英陀螺的工作环境温度与参考信号的相位补偿值存在线性关系，因而得到温度
‑
补偿相位函数，函数表示为：
[0021]
p＝α
p
t+p
t＝0
[0022]
其中，p表示相位补偿值，α
p
系数，t为陀螺以工作温度，p
t＝0
代表温度为0时的相位补偿值。
[0023]
对于每一个微机械石英陀螺仪，当器件稳定时，这个关系也是稳定的，因此可以根据这个关系式对相关解调进行优化，同时由于这个关系具有通用性，实际操作时可以通过测量几个温度点下的相位补偿量拟合出该关系中的各个系数，减少测试工作量。
[0024]
进一步的：所述陀螺控制系统包括温度传感器、温度
‑
相位调节模块、参考信号模块、陀螺信号模块和低通滤波模块，所述温度传感器接收温度信息后将温度信息传输给温度
‑
相位调节模块，通过温度
‑
补偿相位函数计算出相位补偿值且在进行解调前传输给参考信号模块补偿到参考信号中，再将补偿后的参考信号和陀螺信号进行解调，再将解调信号传输给低通滤波模块，即可完成对相关解调方式的优化，达到抑制正交误差的目的。
[0025]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0026]
1、本发明一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统，仅需在
控制系统中添加温度传感器，不需要添加额外的补偿电路或硬件模块；
[0027]
2、本发明一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统，补偿过程简单，运算量小，可在控制芯片中实现且补偿迅速；
[0028]
3、本发明一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统，可以配合其他上位机补偿算法使用。
附图说明
[0029]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0030]
图1为本发明原理图。
[0031]
图2为本发明温度
‑
补偿相位函数拟合图。
[0032]
图3为补偿前后零偏对比图。
[0033]
图4为补偿前后零偏稳定性对比图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0035]
实施例1：
[0036]
如图1
‑
图4所示，一种基于温度与相位补偿的解调优化方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤1：在不同温度环境下使用温控转台对陀螺仪进行摆动测试，并记录测试过程数据；
[0038]
步骤2：处理步骤1中所得测试过程数据并通过数据处理获得补偿相位值；
[0039]
步骤3：依据步骤2中所得补偿相位值和温度建立温度
‑
补偿相位函数；
[0040]
步骤4：将步骤3所得温度
‑
补偿相位函数写入陀螺控制系统中；
[0041]
步骤5：结合陀螺控制系统采集的温度信息计算得出补偿相位值并加入解调前的参考信号中。
[0042]
温度变化时陀螺微机械石英陀螺仪输出信号中被引入相位偏移，从而导致输出信号中的正交误差也随之发生变化，影响相关解调的结果，本发明提出的方法通过根据温度变化调整参考信号的相位来实现正交误差补偿：通过测试获取不同温度下参考信号的相位调节量；通过建立温度信息与相关解调中使用的参考信号之间的关系，并将所得温度
‑
补偿相位函数关系写入陀螺控制系统中，结合温度传感器采集的实时温度改变补偿相位值来实现实时调节解调信号的相位，从而实现正交误差的补偿。
[0043]
实施例2
[0044]
步骤1的具体实施方式：在不同的温度下使用温控转台进行摇摆测试，并记录陀螺iq两路陀螺信号解调输出结果。测试时对温控转台的温箱在一定的温度范围内设定多个温度点进行测试，如在
‑
10℃到80℃的范围内，每10℃选取一个测试点，在温箱内温度均匀后开始测试；温箱内温度均匀后，将陀螺仪通电，并启动温控状态的摇摆功能，使陀螺接收到一个正负变动的角速度量。同时，逐步调节相关解调过程中使用的参考信号的相位值，并对
陀螺仪输出的iq两路解调后的信号进行记录。
[0045]
实施例3：
[0046]
对实施例2中测试所得结果进行处理。陀螺仪敏感端的输出信号u(t)中包含哥氏力产生的稳态信号z
s
(t)，哥氏力产生的暂态信号z
t
(t)，机械耦合误差j
m
(t)，静电耦合误差 j
c
(t)，以及电路与环境带来的噪声n(t)。具体可以表示为：
[0047][0048]
其中ω
d
为驱动端谐振频率，ω
s
为敏感端谐振频率，q
s
为敏感端品质因数，φ
t
与φ
e
为信号中的附加相位值，ω为包含在哥氏力稳态响应信号中的角速度信息，a0、a
t
、 a
m
、a
c
为各个信号的幅值。
[0049]
使用一对正交的参考信号r
sin
＝cos(ω
d
t)与r
cos
＝sin(ω
d
t)与u(t)做相关解调并滤波，可得iq两路解调后的结果分别为：
[0050][0051][0052]
其中，φ
e
为由于机械耦合误差引入的相位偏移，为正交误差项。当附加相位差为零时，正交误差项为零，陀螺输出信号不受机械耦合信号的影响。因此对参考信号进行相位补偿，可以实现抑制正交误差的目的。
[0053]
实施例4：
[0054]
如图2所示，结合实验测试结果以及实施例3计算的出的数据，发现音叉结构的微机械石英陀螺的工作环境温度与参考信号的相位补偿量存在线性关系，可以表示为： p＝α
p
t+p
t＝0
，即温度
‑
补偿相位函数。其中p代表相位补偿量；t代表陀螺仪工作温度，由温度传感器提供；p
t＝0
代表工作温度为0时的相位补偿量；α
p
为相位补偿量与工作温度之间的一次系数。对于每一个微机械石英陀螺仪，当器件稳定时，这个关系也是稳定的，因此可以根据这个关系式对相关解调进行优化，同时由于这个关系具有通用性，实际操作时可以通过测量几个温度点下的相位补偿量拟合出该关系中的各个系数，减少测试工作量。
[0055]
实施例5：
[0056]
如图1
‑
图4所示，所述控制系统包括温度传感器、温度
‑
相位调节模块、参考信号模块、陀螺信号模块和低通滤波模块，所述温度传感器接收温度信息后将温度信息传输给温度
‑
相位调节模块，通过温度
‑
相位函数计算出相位补偿值且在进行解调前传输给参考信号模块补偿到参考信号中，再将补偿后的参考信号和陀螺信号进行解调，再将解调信号传输给低通滤波模块。即可完成对相关解调的优化，达到抑制正交误差的目的。经过补偿后在
‑
10℃到80℃的温度范围内，陀螺仪的零偏与零偏稳定性都得到了明显的改善。
[0057]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。