微机电陀螺寻北仪精度提升方法及微机电陀螺寻北仪

1.本发明涉及惯性寻北技术领域，尤其涉及一种微机电陀螺寻北仪精度提升方法及微机电陀螺寻北仪。


背景技术：

2.寻北仪是一种测量真北方向的测量仪器，可以为载体提供准确的方位角，不仅广泛应用于无人驾驶、地下勘探、大地测量等民用场景，而且在定位、瞄准、航迹推算、惯性制导等军用武器装备和作战样式中发挥着重要作用。
3.测量真北方向的方式方法多种多样，根据测量原理的不同，主要包括天文寻北、gps寻北、磁寻北、惯性寻北等。天文寻北是依靠光学仪器观测恒星位置计算出真北方向，然而该方法容易受到天气等环境因素的影响；gps寻北可以通过差分天线精确测量北向信息，但是在卫星信号拒止的条件下失效；磁寻北是利用磁传感器敏感地球磁场解算出磁北，然后通过磁偏角信息得到真北方向，虽然目前的磁传感器可以方便快捷的测量真北，但是其在磁受损环境误差较大；惯性寻北是通过陀螺和加速度计测量地球自转矢量和重力矢量，从而反解出真北方向，通常又被称作陀螺寻北仪。从测量原理上，惯性寻北具有抗干扰能力强、测量精度高、测量时间短等诸多优势，被广泛应用于军用和民用等诸多场合。
4.陀螺是陀螺寻北仪的核心器件，直接决定了陀螺寻北仪的测量精度和测量时间等重要指标。传统陀螺寻北仪主要采用动力调谐陀螺、激光陀螺、光纤陀螺进行地球自转矢量测量。然而，上述陀螺存在体积、重量较大，成本较高的问题。尽管传统哥式振动陀螺仪(例如半球谐振陀螺)的技术不断发展进步，但是基于该陀螺研制出的高精度陀螺寻北仪依旧成本昂贵。
5.近年来，由于mems技术的迅猛发展，微机电陀螺由于其小尺寸、低重量、低功耗、低成本等固有特性，在实现小型化、手持式陀螺寻北仪方面展现出特有优势。然而，微机电陀螺零偏漂移成为了研制高精度微机电陀螺寻北仪的瓶颈。虽然本领域目前采用的旋转调制技术、多位置误差补偿等方法可以有效辨识补偿微机电陀螺寻北仪中微机电陀螺的零偏误差，但是上述方法均需要物理转动机构，增大了微机电陀螺寻北仪的复杂度，不利于微机电陀螺寻北仪的小型化、轻量化。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种微机电陀螺寻北仪精度提升方法及微机电陀螺寻北仪。
7.为实现上述发明目的，本发明提供一种微机电陀螺寻北仪精度提升方法，包括：
8.s1.对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转，获取所述微机电陀螺在所述驱动工作模态下的第一输出结果和所述微机电陀螺在所述检测工作模态下的第二输出结果；
9.s2.对所述第一输出结果和所述第二输出结果进行差分获取对所述微机电陀螺的
零偏漂移补偿，以及对所述第一输出结果和所述第二输出结果进行求和获取载体方位角φ；
10.s3.基于微机械加速度计获取当地的地球重力矢量，并结合所述微机电陀螺的零偏漂移补偿和所述载体方位角φ解算出北向信息。
11.根据本发明的一个方面，步骤s1中，对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转的步骤中，基于虚拟旋转控制器对所述微机电陀螺进行周期性的虚拟旋转；
12.所述虚拟旋转控制器包括旋转控制模块和时序控制模块。
13.根据本发明的一个方面，步骤s1中，对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转的步骤中，包括：
14.通过所述时序控制模块向所述旋转控制模块下发时序控制指令；其中，相邻所述时序控制指令以预设的过渡时间t进行发送；
15.所述旋转控制模块基于所述时序控制指令控制所述驱动工作模态和所述检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
进行周期性的交替变换。
16.根据本发明的一个方面，所述旋转控制模块通过周期性的控制内置于所述微机电陀螺的自动增益控制环路与力平衡环路的切换，以实现所述驱动工作模态和所述检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
的周期性交替变换；或者，所述旋转控制模块通过采用速率积分控制方案实现模态振动进行所述旋转角α的虚拟旋转，然后切换成陀螺力平衡模式进行寻北测量。
17.根据本发明的一个方面，步骤s1中，所述第一输出结果和所述第二输出结果表示为：
18.g
out
(0
°
)＝ω
ie
coslcosφ+bsin2θ
τ
19.g
out
(90
°
)＝ω
ie
coslcosφ-bsin2θ
τ
20.步骤s2中，所述载体方位角φ表示为：
[0021][0022]
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于前述的微机电陀螺寻北仪精度提升方法的微机电陀螺寻北仪，其包括：虚拟旋转控制器，微机电陀螺，微机械加速度计和北向分析器；
[0023]
所述虚拟旋转控制器与所述微机电陀螺相连接；
[0024]
所述微机电陀螺和所述微机械加速度计分别与所述北向分析器相连接；
[0025]
所述虚拟旋转控制器对所述微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转；
[0026]
所述微机械加速度计用于获取当地的地球重力矢量；
[0027]
所述北向分析器获取所述微机电陀螺经过虚拟旋转所输出的结果，并基于所述结果获得所述微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ；以及，
[0028]
所述北向分析器基于所述零偏漂移补偿、所述载体方位角φ和所述地球重力矢量解算出北向信息。
[0029]
根据本发明的一个方面，所述虚拟旋转控制器包括：时序控制模块和旋转控制模
块；
[0030]
所述时序控制模块向所述旋转控制模块下发具有时间间隔的时序控制指令；
[0031]
所述旋转控制模块基于所述时序控制指令控制所述微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
进行周期性的交替变换；
[0032]
所述微机电陀螺包括：谐振结构部分和与所述谐振结构部分相连接的fpga模块；
[0033]
所述谐振结构部分采用仿生蜂巢拓扑结构，包括：中心锚点、辐条、悬挂质量块和电极；
[0034]
所述fpga模块包括：与所述谐振结构部分相连接的自动增益控制回路和里平衡回路；
[0035]
所述北向分析器包括：陀螺零偏估计模块和北向解算模块；
[0036]
所述陀螺零偏估计模块用于接收所述微机电陀螺经过虚拟旋转所输出的结果，并基于所述结果获得所述微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ；
[0037]
所述北向解算模块基于所述陀螺零偏估计模块的输出结果和所述地球重力矢量解算出北向信息；
[0038]
所述微机械加速度计至少设置有两个。
[0039]
根据本发明的一个方面，所述旋转控制模块通过周期性的控制内置于所述微机电陀螺的自动增益控制环路与力平衡环路的切换，以实现所述驱动工作模态和所述检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
的周期性交替变换；其中，基于所述fpga模块上的电路构建与所述自动增益控制环路和所述力平衡环路相连接的虚拟开关，所述旋转控制模块用于控制所述虚拟开关的开闭实现对所述自动增益控制环路与力平衡环路的切换；或者，所述旋转控制模块通过采用速率积分控制方案实现模态振动进行所述旋转角α的虚拟旋转，然后切换成陀螺力平衡模式进行寻北测量。
[0040]
根据本发明的一种方案，本发明的方法利用虚拟旋转技术对微机电陀螺寻北仪的陀螺零偏误差进行自补偿，无需引入物理旋转机构，易于微机电陀螺寻北仪的小型化、便携化、集成化。
[0041]
根据本发明的一种方案，本发明的微机电陀螺寻北仪精度提升方法利用虚拟旋转控制器控制微机电陀螺工作模态进行周期性的旋转，解算并补偿微机电陀螺的零偏误差，从而提升微机电陀螺寻北仪的测量精度。
[0042]
根据本发明的一种方案，本发明的寻北仪不仅无需引入任何物理转动机构，而且易于操作、稳定可靠、应用范围广，能够有效地满足军、民市场对高精度微机电陀螺寻北仪的需求。
附图说明
[0043]
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的微机电陀螺寻北仪精度提升方法的步骤框图；
[0044]
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的寻北仪的结构框图；
[0045]
图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的参考坐标系“北-东-天”的三维立体图；
[0046]
图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的参考坐标系“北-天”的坐标平面
图；
[0047]
图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的参考坐标系“北-东”的坐标平面图；
[0048]
图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的微机电陀螺的谐振结构图；
[0049]
图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的微机电陀螺的零偏误差模型图；
[0050]
图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的虚拟旋转原理图；
[0051]
图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的虚拟旋转时序控制及零偏漂移补偿原理示意图；
[0052]
图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的虚拟旋转控制器测控电路原理示意图；
[0053]
图11是示意性表示根据本发明的一种实施方式的虚拟旋转微机电陀螺寻北仪测试结果与传统寻北仪的对比图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
[0055]
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种微机电陀螺寻北仪精度提升方法，包括：
[0056]
s1.对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转，获取微机电陀螺在驱动工作模态下的第一输出结果和微机电陀螺在检测工作模态下的第二输出结果；
[0057]
s2.对第一输出结果和第二输出结果进行差分获取对微机电陀螺的零偏漂移补偿，以及对第一输出结果和第二输出结果进行求和获取载体方位角φ；
[0058]
s3.基于微机械加速度计获取当地的地球重力矢量，并结合微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ解算出北向信息。
[0059]
根据本发明的一种实施方式，在步骤s1中，具体包括以下步骤所实现：
[0060]
基于地理位置构建参考坐标系，并在参考坐标系下，建立微机电陀螺敏感轴方向检测到的当地地球自转角速度ω和微机电陀螺的载体方位角φ之间的第一关系式；
[0061]
建立微机电陀螺的动力学模型，并基于动力学模型获取微机电陀螺工作在力平衡模式下的输出表达式；
[0062]
基于虚拟旋转控制器对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转，并基于第一关系式和输出表达式获取微机电陀螺在驱动工作模态下的第一输出结果和微机电陀螺在检测工作模态下的第二输出结果；
[0063]
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，基于地理位置构建参考坐标系的步骤中，以当地的地理位置上的北向、东向和天空向三个方向构建“北-东-天”三维立体的参考坐标系。在参考坐标系中，定义l和λ分别为当地的纬度和经度，定义ω
ie
为地球自转角速度。
[0064]
在本实施方式中，在参考坐标系下，建立微机电陀螺敏感轴方向检测到的当地地球自转角速度ω和微机电陀螺的载体方位角φ之间的第一关系式的步骤中，包括：
[0065]
如图4所示，以参考坐标系中“北-天”坐标平面，获取地球自转角速度在参考坐标
系上的矢量投影关系，其表示为：
[0066]
ωn＝ω
ie
cosl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0067]
其中，ωn为ω
ie
的水平分量；
[0068]
如图5所示，以参考坐标系中“北-东”坐标平面，基于前述获得的矢量投影关系获取当地地球自转角速度ω和微机电陀螺的载体方位角φ之间的第一关系式，其表示为：
[0069]
ω＝ωncosφ＝ω
ie
coslcosφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0070]
其中，当地地球自转角速度ω为微机电陀螺敏感轴方向检测获得。在本实施方式中，通常情况下，地球自转角速度ω
ie
的大小为定值，取15.041067
°
/h，而当地的纬度l可以通过查表或者辅助设备轻易获取，例如本实例中中华人民共和国湖南省长沙市的纬度可取28
°
n。
[0071]
结合图6和图7所示，根据本发明的一种实施方式，建立微机电陀螺的动力学模型，并基于动力学模型获取微机电陀螺在力平衡模式下的输出表达式的步骤中，微机电陀螺采用仿生蜂巢拓扑结构，其谐振结构主要包括中心锚点、辐条a1、悬挂质量块a2和电极a3。在本实施方式中，由于仿生蜂巢拓扑结构可以改善谐振结构的整体加工对称性和鲁棒性，悬挂质量块的设计可以有效提升谐振结构的品质因数q。在本实施方式中，该微机电陀螺工作在n＝2酒杯模态，工作频率约为4.2khz，q约为310k。工作模态的初始频率裂解约为2hz。
[0072]
进而在本实施方式中，可将微机电陀螺的动力学模型简化为两自由度集中质量振动模型，参见图6所示。
[0073]
在本实施方式中，基于动力学模型获取微机电陀螺工作在力平衡模式下的输出表达式的步骤中，包括：
[0074]
建立微机电陀螺在力平衡模式下的通用输出表达式：
[0075][0076]-ωδωx0sin2(α-θ
ω
)cosω
x
t
[0077]
其中，α为驱动工作模态、检测工作模态的旋转角，x0为驱动工作模态振动幅值，ω
x
为驱动工作模态的工作频率，ω为外界角速度输出，k为角度增益因子，ω为平均固有频率，τ为平均衰减时间常数，δ代表差值，θ
ω
为刚度简正轴，θ
τ
为阻尼简正轴；
[0078]
根据公式(3)可知，微机电陀螺由于刚度不均匀误差δω导致的零偏漂移可以通过正交误差控制回路得到抑制，因为其相位关系cosω
x
t与外界角速度输出相位sinω
x
t存在正交关系。进而，基于刚度不均匀误差δω相位关系cosω
x
t与外界角速度输出相位sinω
x
t存在的正交关系，对通用输出表达式进行变形获得输出表达式，其表示为：
[0079]gout
(α)＝sf
·
ω-bsin2(α-θ
τ
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0080]
其中，sf为标度因数，b为零偏；
[0081]
如图8所示，根据本发明的一种实施方式，步骤s1中，对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转的步骤中，基于虚拟旋转控制器对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转，其中，虚拟旋转控制器包括旋转控制模块和时序控制模块；其包括：
[0082]
通过时序控制模块向旋转控制模块下发时序控制指令；其中，相邻时序控制指令以预设的过渡时间t进行发送；在本实施方式中，虚拟旋转控制器中时序控制模块的作用是
控制旋转控制模块按照预期时序执行切换动作，进而实现周期性变换。在本实施方式中，时序控制模块可通过电路实现，也可以通过编写计算机程序实现。参见图9所示，在实际工作中，通过设置一定长度的过渡时间t可确保微机电陀螺在虚拟旋转前后处于稳定的工作状态。在本实施方式中，过渡时间t被控制在分钟量级。如果过渡时间t的时间过长，不利于精确辨识矫正微机电陀螺的零偏漂移；而如果过渡时间t过短，微机电陀螺各个控制环路尚未稳定，会给控制系统引入一个较大的低频噪声。因此，将过渡时间t控制在上述的分钟量级内，有效的保证了本发明的虚拟旋转过程的稳定性，而且有效的保证了微机电陀螺的工作精度，进而更有益于提高本发明的寻北精度。
[0083]
旋转控制模块基于时序控制指令控制驱动工作模态和检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
进行周期性的交替变换。
[0084]
根据本发明的一种实施方式，旋转控制模块通过周期性的控制内置于微机电陀螺的自动增益控制环路与力平衡环路的切换，以实现驱动工作模态和检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
的周期性交替变换，参见图10所示；或者，所述旋转控制模块通过采用速率积分控制方案实现模态振动进行所述旋转角α的虚拟旋转，然后切换成陀螺力平衡模式进行寻北测量。
[0085]
根据本发明的一种实施方式，步骤s1中，对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转时，微机电陀螺在驱动工作模态下(即旋转角α为0
°
)时的输出结果可基于公式(2)和公式(4)获得，即可将输出结果以第一输出结果的形式表示。同样的，微机电陀螺在检测工作模态下(即旋转角α为90
°
)时的输出结果可基于公式(2)和公式(4)获得，即可将输出结果以第二输出结果的形式表示。其中，第一输出结果和第二输出结果表示为：
[0086][0087]
根据本发明的一种实施方式，步骤s2中，微机电陀螺的零偏漂移可以通过对公式(5)两式差分进行辨识与补偿，即对第一输出结果和第二输出结果进行差分便可获取对微机电陀螺的零偏漂移补偿，
[0088]
同时，微机电陀螺在当地的载体方位角φ可以通过公式(5)两式求和得到，表示为：
[0089][0090]
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，步骤s3中，基于多个微机械加速度计获取当地的地球重力矢量，并结合前述步骤获得的微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ解算出北向信息。
[0091]
根据本发明，无需物理转动机构即可实现微机电陀螺零偏误差辨识与补偿的方法，在提升微机电陀螺寻北仪精度的同时，有效降低其系统复杂度。
[0092]
如图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于前述的微机电陀螺寻北仪精度提升方法的微机电陀螺寻北仪，包括：虚拟旋转控制器，微机电陀螺，微机械加速度计和北向分析器。在本实施方式中，虚拟旋转控制器与微机电陀螺相连接；微机电陀螺和
微机械加速度计分别与北向分析器相连接。在本实施方式中，虚拟旋转控制器对微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态进行周期性的虚拟旋转；微机械加速度计用于获取当地的地球重力矢量；北向分析器获取微机电陀螺经过虚拟旋转所输出的结果，并基于结果获得微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ；以及，北向分析器基于零偏漂移补偿、载体方位角φ和地球重力矢量解算出北向信息。在本实施方式中，微机电陀螺至少设置有一个。微机械加速度计至少设置有两个。
[0093]
基于上述设置，本发明的寻北仪通过虚拟旋转控制器控制微机电陀螺工作模态进行周期性的旋转，即可采用微机电陀螺前后两个工作状态的数据识别并解算出用于补偿微机电陀螺零偏误差的零偏漂移补偿，同时通过微机电陀螺在前后两个工作状态的数据获取的地球自转矢量(即获取的载体方位角φ)、微机电加速度计测量的地球重力矢量，通过北向分析器接收微机电陀螺和加速度计输出的数据，通过陀螺零偏估计模块对微机电陀螺的零偏误差进行辨识与补偿，通过北向估计模块解算出北向。
[0094]
结合图2和图6所示，根据本发明的一种实施方式，虚拟旋转控制器包括：时序控制模块和旋转控制模块。在本实施方式中，时序控制模块向旋转控制模块下发具有时间间隔的时序控制指令；旋转控制模块基于时序控制指令控制微机电陀螺的驱动工作模态和检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
进行周期性的交替变换。
[0095]
在本实施方式中，微机电陀螺包括：谐振结构部分和与谐振结构部分相连接的fpga模块。在本实施方式中，谐振结构部分采用仿生蜂巢拓扑结构，包括：中心锚点、辐条a1、悬挂质量块a2和电极a3。在本实施方式中，通过采用仿生蜂巢拓扑结构可以改善谐振结构的整体加工对称性和鲁棒性，悬挂质量块的设计可以有效提升谐振结构的品质因数q。该微机电陀螺工作在n＝2酒杯模态，工作频率约为4.2khz，q约为310k。工作模态的初始频率裂解约为2hz。在本实施方式中，fpga模块包括：与谐振结构部分相连接的自动增益控制回路和里平衡回路。
[0096]
在本实施方式中，北向分析器包括：陀螺零偏估计模块和北向解算模块；其中，陀螺零偏估计模块用于接收微机电陀螺经过虚拟旋转所输出的结果，并基于结果获得微机电陀螺的零偏漂移补偿和载体方位角φ；北向解算模块基于陀螺零偏估计模块的输出结果和地球重力矢量解算出北向信息。
[0097]
根据本发明的一种实施方式，旋转控制模块通过周期性的控制内置于微机电陀螺的自动增益控制环路与力平衡环路的切换，以实现驱动工作模态和检测工作模态的旋转角α在0
°
和90
°
的周期性交替变换；其中，参见图10所示，基于fpga模块上的电路构建与自动增益控制环路和力平衡环路相连接的虚拟开关，旋转控制模块用于控制虚拟开关的开闭实现切换至不同的回路，实现微机电陀螺两控制环路(自动增益控制环路和力平衡环路)的交换，进而实现微机电陀螺的驱动工作模态、检测工作模态旋转角α在0
°
和90
°
的交换。或者，所述旋转控制模块通过采用速率积分控制方案实现模态振动进行所述旋转角α的虚拟旋转，然后切换成陀螺力平衡模式进行寻北测量。
[0098]
如图11所示，为进一步说明本方案的有益效果，对本发明的虚拟旋转微机电陀螺寻北仪的测试结果与现有的寻北仪的测试结果进行了对比。在本测试过程中，测试持续时间为1整天(24小时)，每间隔1小时进行一组数据测试。每组测试采用对比实验的方式，分别进行不使用虚拟旋转技术和使用虚拟旋转技术的实验，两者均采用5分钟的平均时间进行
数据处理。测试结果显示，本发明的虚拟旋转微机电陀螺寻北仪的寻北精度约提升一个量级，可见，本实验有效的验证了基于虚拟旋转的微机电陀螺寻北仪的可行性和有效性。
[0099]
根据本发明，利用微机电陀螺测控电路即可实现虚拟旋转，具有操作简单、稳定可靠、便于使用的优势，有效提高了寻北精度的情况下，进一步有效的降低了寻北仪结构的复杂度和体积。
[0100]
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
[0101]
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。