一种MEMS陀螺接口电路及调制方法

一种mems陀螺接口电路及调制方法
技术领域
1.本发明属于mems谐振式陀螺仪技术领域，涉及一种mems陀螺接口电路及调制方法。


背景技术：

2.近年来，mems陀螺的应用领域不断拓展，对mems陀螺性能的要求也随之不断提高。当前，mems陀螺主流发展方向为对称式结构和超高q值，对于两个谐振模态的频率匹配程度要求极高，细微的频率不匹配(即频差)就会造成严重的陀螺测量误差。
3.频差作为mems陀螺的关键误差指标之一，已经成为了陀螺自校正技术的研究热点。现实中，由于陀螺仪管芯存在残余应力释放、周向分布不均匀等非理想因素，两个模态的谐振频率在陀螺运行状态中始终是不断变化的，即陀螺的频差是一个随时间变化的误差项。因此，要想实现良好的频差校正效果，必须采用在线式频差校正算法，对频差进行实时的补偿。
4.双模差分式陀螺频差自校正方案是一种应用于对称式mems陀螺的新型在线式频差校正方法，该方法采用双模差分式陀螺驱动方案，通过同时驱动陀螺的两个模态，从而同时获得两个模态的谐振频率信息，进而分离出独立的频差项用于实时校正。相比于传统一次性的离线式频差校正方案，此方案在频差校正的准确性和长期性能上具有无与伦比的优势。
5.但在双模差分式陀螺频差自校正方案的实际应用中，必须考虑其与国产mems陀螺的适配性问题。从现有的研究基础来看，为了保证双模差分架构独特的性能优势，该方案对陀螺本身的加工水平具有较高的要求，目前主要在高谐振频率、高对称性的陀螺上得到应用。
6.而国产mems陀螺的工艺特点多为低谐振频率、高品质因数，尤其是普遍存在较为严重的幅值不对称问题，这将为双模差分式陀螺频差自校正方案的顺利开展带来挑战。综上，目前双模差分式陀螺频差自校正方案虽然可以实现频差的在线校正，但是仅适用于对称性良好的mems陀螺，且校正的精度还不够高。归结起来，现有技术存在如下三方面问题：
7.1.国产谐振式陀螺的机械敏感结构难以做到结构完全对称，而双模差分方案对陀螺的对称性有着较高的要求，陀螺模态的不对称将会为系统引入误差，严重影响信号检测和频差校正的准确度。2.传统pid控制方案的锁相环精度有限，导致陀螺接口系统的控制频率在小范围内不断震荡，直接限制了频差辨识的精度。3.对于双模方案来说，当前的研究仅用最基本的闭环控制器实现在线频差校正的功能，没有利用良好的控制方法对性能进一步提升。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提出一种mems陀螺接口电路，该接口电路为下述陀螺调制方法提供了硬件基础，通过与陀螺直接相连的各个机电接口以及相互配套的驱动电路以及解调
电路，能够保证陀螺在正常工作时具备运行在单模或双模两种驱动方案下的能力。
9.本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
10.一种mems陀螺接口电路，包括谐振式陀螺、驱动电路和解调电路，其中，陀螺通过机电接口与驱动电路和解调电路相连并进行信号的传输；
11.机电接口包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三以及第十四机电接口；
12.驱动电路通过第一、第二以及第五机电接口向陀螺传输驱动信号；具体为：
13.驱动电路通过第一机电接口向陀螺传输x轴方向的驱动信号；
14.驱动电路通过第二机电接口向陀螺传输y轴方向的驱动信号；
15.第五机电接口向陀螺传输双模差分方案下的陀螺驱动信号，该陀螺驱动信号同时驱动陀螺的x轴和y轴两个方向，使得陀螺在x轴和y轴两个方向上同时存在振动；
16.陀螺通过第三、第四以及第六机电接口向解调电路传输信号，具体为：
17.解调电路通过第三机电接口接受来自谐振陀螺x轴方向上的信号；
18.解调电路通过第四机电接口接受来自谐振陀螺y轴方向上的信号；
19.解调电路通过第六机电接口接受来自陀螺x轴和y轴两个方向上的混合信号；
20.解调电路通过第七机电接口将陀螺运行状态转换信号传输至驱动电路；解调电路通过第八机电接口将调谐电压控制信号传输至第一电压源；
21.第一电压源通过第十五机电接口将调谐电压传输至陀螺，对陀螺的谐振频率进行调节；
22.解调电路通过第九至第十四机电接口传输反馈信号至驱动电路；
23.驱动电路包括加法器、压控选择电路、锁相环电路以及vga电路；其中：
24.加法器包括第一加法器以及第二加法器；
25.压控选择电路包括第一压控选择电路以及第二压控选择电路；
26.vga电路包括第一vga电路、第二vga电路以及第三vga电路；
27.解调电路包括数据调制电路、信号解算电路以及微处理器；其中：
28.数据调制电路包括第一数据调制电路以及第二数据调制电路；
29.信号解算电路包括第一信号解算电路以及第二信号解算电路；
30.陀螺x轴方向上的输出信号经过第三机电接口传输至第一数据调制电路；
31.陀螺y轴方向上的输出信号经过第四机电接口传输至第二数据调制电路；
32.第六机电接口接收陀螺x轴方向和y轴方向的混合信号，并将该混合信号输出至第一数据调制电路和第二数据调制电路；
33.第一数据调制电路将信号传输至第一信号解算电路；
34.第二数据调制电路将信号传输至第二信号解算电路；
35.第九至第十二机电接口分是经过解调电路后得到的数值，具体为：
36.第一信号解算电路得到的x轴方向上的同相信号以及正交信号两路输出信号，分别连接至第九机电接口和第十机电接口，并经由第一adc电路输出到微处理器之中；
37.第二信号解算电路得到的y轴方向上的同相信号以及正交信号两路输出信号，分别连接至第十二机电接口和第十一机电接口，并经由第二adc电路输出至微处理器之中；
38.微处理器输出的x轴和y轴的同相信号之和通过第十三机电接口输出；
39.微处理器输出的x轴和y轴的正交信号之和通过第十四机电接口输出；
40.微处理器输出的调谐电压控制信号通过第八机电接口输出；
41.微处理器输出的d/s选择信号通过第七机电接口输出；
42.第九机电接口和第十二机电接口的输出信号分别连接至第一加法器并相加，第十机电接口和第十一机电接口的输出信号分别连接至第二加法器并相加；
43.第一加法器以及第二加法器的输出端分别连接至第一压控选择电路上；
44.第十三机电接口以及第十四机电接口分别连接至第二压控选择电路上；
45.第七机电接口分别与第一压控选择电路以及第二压控选择电路相连，微处理器通过第七机电接口输出d/s选择信号进行第一压控选择电路和第二压控选择电路选择；
46.第一压控选择电路和第二压控选择电路分别与锁相环电路相连；其中，第一压控选择电路和第二压控选择电路分别输出不同的锁相环电路控制信号；
47.第一vga电路和第二vga电路将第一压控选择电路控制的锁相环电路输出进行增益放大，并分别接至第一机电接口和第二机电接口进行输出；
48.第三vga电路将第二压控选择电路控制的锁相环电路输出放大并输出至第五机电接口。
49.此外，在上述mems陀螺接口电路的基础上，本发明还进一步提出了一种陀螺调制方法，该方法针对双模差分式陀螺频差自校正方案提出了一种新型的陀螺调制方法，能够消除模态幅值不对称为频差辨识带来的误差，并提高频差校正的准确性和精度。
50.本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
51.一种陀螺调制方法，基于上述mems陀螺接口电路实现；
52.该陀螺调制方法的调制步骤如下：
53.当谐振式陀螺的x、y两个模态在双模差分式陀螺频差自校正模式下被第五机电接口传输的驱动信号同时驱动时，x轴和y轴两个方向上输出的混合信号通过第六机电接口传送到解调电路中，并经过第一、第二数据调制电路以及第一、第二信号解算电路分别得到x、y两个模态上的同相信号和正交信号，并经由相应的adc电路传输到微处理器中；在微处理器的运算过程中，自动幅值再平衡模式和双模差分式陀螺频差自校正模式协同运行，其中：
54.当检测到x轴和y轴两个方向上输出的混合信号幅值相等，即陀螺的x、y两个模态幅值的对称性良好时，陀螺接口系统运行在双模差分式陀螺频差自校正模式下，具体为：
55.微处理器将第一、第二adc电路的输出信号处理为用于维持陀螺接口系统闭环控制的sum_i、sum_q信号和用于实现在线频差校正的频差信号；其中，sum_i信号为陀螺的x轴和y轴的同相信号之和，sum_q信号为陀螺的x轴和y轴的正交信号之和；
56.sum_i信号、sum_q信号、频差信号分别通过第十三、第十四、第八机电接口输出；
57.当检测到x轴和y轴两个方向上输出的混合信号幅值不相等，即由于陀螺幅值不对称导致双模差分方案失效时，陀螺接口系统将运行到自动幅值再平衡模式，具体为：
58.微处理器将输出d/s选择信号，并通过第七机电接口传送至驱动电路中，驱动电路接受到d/s选择信号后，通过第一、第二压控选择电路的选择作用，将陀螺从双模差分式陀螺频差自校正模式转换为传统的单模驱动模式，进而运行自动幅值再平衡程序，驱动电路输出的驱动信号分别通过第一、第二机电接口传送至陀螺；此时，陀螺接口系统将在自动幅值再平衡算法的作用下对解调电路中adc电路的增益进行调节，实现对幅值不对称误差的
校正，保证双模差分式陀螺频差自校正模式的正常运行；当校正完成后，微处理器将再次输出d/s选择信号，将陀螺接口系统恢复至双模差分式陀螺频差自校正模式；
59.其中，在微处理器中存储有精细化在线频差校正程序和自动幅值再平衡程序，且当精细化在线频差校正程序被执行时，实现精细化在线频差校正过程，当自动幅值再平衡程序被执行时，实现自动幅值再平衡过程；
60.在锁相环电路中存储有在先学习控制程序，且当锁相环电路收到第十三、第十四接口传来的用于维持陀螺接口系统闭环控制的sum_i、sum_q信号之后，在先学习程序被执行，锁相环电路实现在先学习控制过程，从而快速锁定至陀螺谐振频率所对应的最佳相位点。
61.本发明具有如下优点：
62.如上所述，本发明针对常规双模差分式陀螺频差自校正方案对陀螺对称性要求高、校正精度不足等问题，设计了一种新型陀螺调制方案。其中，为了消除陀螺幅值不对称对频差校正效果的影响，本发明设计了基于模态切换技术的自动幅值再平衡方法，从而实现了对陀螺幅值不对称误差的准确辨识；随后基于这一误差，利用增量式pid方法来对两模态adc电路的放大增益进行调节，从而将陀螺两模态的幅值调至对称；为了提高在线频差辨识及校正的精度，本发明设计了基于在线学习控制的高精度锁相环控制方法和基于精细化滤波-最优校正控制的精细化在线频差校正方法，将频差辨识和校正精度提升至mhz级别。本发明消除了模态幅值不对称为频差辨识带来的误差，并提高了频差校正的准确性和精度，适用于拥有两个振动模态的mems谐振式陀螺仪。
附图说明
63.图1为本发明实施例中mems陀螺接口电路的整体结构图；
64.图2为本发明实施例中驱动电路的电路结构图；
65.图3为本发明实施例中解调电路的电路结构图；
66.图4为本发明实施例中mems陀螺调制方法的流程图；
67.图5为本发明实施例中mems陀螺接口电路的模态切换原理图；
68.图6为本发明实施例中精细化在线频差校正的流程图。
具体实施方式
69.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
70.本实施例述及了一种mems陀螺接口电路，该mems陀螺接口电路主要包括谐振式陀螺、驱动电路和解调电路三部分。
71.其中，陀螺通过机电接口与驱动电路和解调电路相连并进行信号的传输。
72.驱动电路通过锁相环电路产生驱动模拟信号进入陀螺，解调电路对于陀螺的输出信号进行解调并进一步计算，得出双模差分方案下的陀螺信号，并反馈至驱动电路。
73.下面图1至图3对本实施例中的mems陀螺接口电路进行详细说明。
74.如图1至图3所示，机电接口包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三以及第十四机电接口。
75.如图1所示，驱动电路通过第一、第二以及第五机电接口向陀螺传输驱动信号；具
体为：
76.驱动电路通过第一机电接口向陀螺传输x轴方向的驱动信号；
77.驱动电路通过第二机电接口向陀螺传输y轴方向的驱动信号。
78.第五机电接口向陀螺传输双模差分方案下的陀螺驱动信号，该陀螺驱动信号同时驱动陀螺的x轴和y轴两个方向，使得陀螺在x轴和y轴两个方向上同时存在振动。
79.如图1所示，陀螺通过第三、第四以及第六机电接口向解调电路传输信号，具体为：
80.解调电路通过第三机电接口接受来自谐振陀螺x轴方向上的信号；
81.解调电路通过第四机电接口接受来自谐振陀螺y轴方向上的信号；
82.解调电路通过第六机电接口接受来自陀螺x轴和y轴两个方向上的混合信号。
83.此外，解调电路通过第七机电接口将陀螺运行状态转换信号传输至驱动电路；解调电路通过第八机电接口将调谐电压控制信号传输至第一电压源。
84.第一电压源通过第十五机电接口将调谐电压传输至陀螺，对陀螺的谐振频率进行调节。
85.解调电路通过第九至第十四机电接口传输反馈信号至驱动电路，维持本实施例中陀螺接口电路的闭环控制。
86.如图2所示，驱动电路包括加法器、压控选择电路、锁相环电路以及vga电路。
87.加法器包括第一加法器以及第二加法器。压控选择电路包括第一压控选择电路以及第二压控选择电路。vga电路包括第一vga电路、第二vga电路以及第三vga电路。
88.如图3所示，解调电路包括数据调制电路、信号解算电路以及微处理器。
89.数据调制电路包括第一数据调制电路以及第二数据调制电路。
90.信号解算电路包括第一信号解算电路以及第二信号解算电路。
91.陀螺x轴方向上的输出信号经过第三机电接口传输至第一数据调制电路。
92.陀螺y轴方向上的输出信号经过第四机电接口传输至第二数据调制电路。
93.第六机电接口接收陀螺x轴方向和y轴方向的混合信号，并将该混合信号输出至第一数据调制电路和第二数据调制电路。
94.第一数据调制电路将信号传输至第一信号解算电路。
95.第二数据调制电路将信号传输至第二信号解算电路。
96.第九至第十二机电接口分是经过解调电路后得到的数值，具体为：
97.第一信号解算电路得到的x轴方向上的同相信号以及正交信号两路输出信号，分别连接至第九机电接口和第十机电接口，并经由第一adc电路输出到微处理器之中。
98.第二信号解算电路得到的y轴方向上的同相信号以及正交信号两路输出信号，分别连接至第十二机电接口和第十一机电接口，并经由第二adc电路输出至微处理器之中。
99.微处理器输出的x轴和y轴的同相信号之和sum_i信号通过第十三机电接口输出。
100.微处理器输出的x轴和y轴的正交信号之和sum_q信号通过第十四机电接口输出。
101.微处理器输出的调谐电压控制信号(即图3中的频差信号)通过第八机电接口输出，然后传输至第一电压源，第一电压源输出调谐电压传输至陀螺，对陀螺的谐振频率进行调节。
102.微处理器输出的d/s选择信号通过第七机电接口输出。通过该d/s选择信号，可以实现对第一压控选择电路以及第二压控选择电路的选择。
103.第九机电接口和第十二机电接口的输出信号ix、iy分别连接至第一加法器并相加，第十机电接口和第十一机电接口的输出信号qx、qy分别连接至第二加法器并相加。
104.第一加法器以及第二加法器的输出端分别连接至第一压控选择电路上。
105.第十三机电接口以及第十四机电接口分别连接至第二压控选择电路上。
106.第七机电接口分别与第一压控选择电路以及第二压控选择电路相连，微处理器通过第七机电接口输出d/s选择信号进行第一压控选择电路和第二压控选择电路选择。
107.在第二压控选择电路运行模式下，选择sum_i、sum_q信号，在第一压控选择电路运行模式下，选择第一加法器和第二加法器的信号。
108.第一压控选择电路和第二压控选择电路分别与锁相环电路相连；其中，第一压控选择电路和第二压控选择电路分别输出不同的锁相环电路控制信号。
109.以上三个vga电路采用可变增益放大器电路。其中：
110.第一vga电路和第二vga电路将第一压控选择电路控制的锁相环电路输出进行增益放大，并分别接至第一机电接口和第二机电接口进行输出；
111.第三vga电路将第二压控选择电路控制的锁相环电路输出放大并输出至第五机电接口。
112.本实施例述及的陀螺接口电路是陀螺调制方法的硬件基础，通过与陀螺直接相连的第一至第六机电接口以及配套的驱动电路和解调电路，陀螺在正常工作时具备了运行在单模或双模两种驱动方案下的能力，这也是本发明中为解决陀螺两模态幅值对称性不足提出的自动幅值再平衡方法得以顺利实施的关键。
113.在上述陀螺接口电路的基础上，本发明还提出了一种陀螺调制方法，如图4所示。
114.该陀螺调制方法包括如下步骤：
115.当谐振式陀螺的x、y两个模态在双模差分式陀螺频差自校正模式下被第五机电接口传输的驱动信号同时驱动时，x轴和y轴两个方向上输出的混合信号通过第六机电接口传送到解调电路中，并经过第一、第二数据调制电路以及第一、第二信号解算电路分别得到x、y两个模态上的同相信号和正交信号，并经由adc电路传输到微处理器中；在微处理器的运算过程中，自动幅值再平衡模式和双模差分式陀螺频差自校正模式协同运行，其中：
116.当检测到x轴和y轴两个方向上输出的混合信号幅值相等，即陀螺的x、y两个模态幅值的对称性良好时，陀螺接口系统运行在双模差分式陀螺频差自校正模式下，具体为：
117.微处理器将第一、第二adc电路的输出信号处理为用于维持陀螺接口系统闭环控制的sum_i、sum_q信号和用于实现在线频差校正的频差信号；其中，sum_i信号为陀螺的x轴和y轴的同相信号之和，sum_q信号为陀螺的x轴和y轴的正交信号之和；
118.sum_i信号、sum_q信号、频差信号分别通过第十三、第十四、第八机电接口输出；
119.当检测到x轴和y轴两个方向上输出的混合信号幅值不相等，即由于陀螺幅值不对称导致双模差分方案失效时，陀螺接口系统将运行到自动幅值再平衡模式，具体为：
120.微处理器将输出d/s选择信号，并通过第七机电接口传送至驱动电路中，驱动电路接受到d/s选择信号后，通过第一、第二压控选择电路的选择作用，将陀螺从双模差分式陀螺频差自校正模式转换为传统的单模驱动模式，进而运行自动幅值再平衡程序，驱动电路输出的驱动信号分别通过第一、第二机电接口传送至陀螺；此时，陀螺接口系统将在自动幅值再平衡算法的作用下对解调电路中adc电路的增益进行调节，实现对幅值不对称误差的
校正，保证双模差分式陀螺频差自校正模式的正常运行；当校正完成后，微处理器将再次输出d/s选择信号，将陀螺接口系统恢复至双模差分式陀螺频差自校正模式；
121.其中，在微处理器中存储有精细化在线频差校正程序和自动幅值再平衡程序，且当精细化在线频差校正程序被执行时，实现精细化在线频差校正过程，当自动幅值再平衡程序被执行时，实现自动幅值再平衡过程；
122.在锁相环电路中存储有在先学习控制程序，且当锁相环电路收到第十三、第十四接口传来的用于维持陀螺接口系统闭环控制的sum_i、sum_q信号之后，在先学习程序被执行，锁相环电路实现在先学习控制过程，从而快速锁定至陀螺谐振频率所对应的最佳相位点。
123.下面对以上各个方法进行详细说明。
124.为了补偿由于陀螺幅值对称性不足而向双模差分式陀螺频差自校正方案引入的误差，本发明设计了自动幅值再平衡算法(automatic amplitude rebalance，aar)，利用模态切换技术分时激励陀螺的两个模态来获取幅值不对称误差，然后通过增量式pid算法对该误差进行快速校正。
125.模态切换技术是轴对称陀螺独有的先进控制手段，其核心思想是将两个陀螺模态交替驱动，如下图5所示。模态切换通常被应用于对每个振动模态的谐振频率进行准确辨识，但同时也可以较为直观地反映出陀螺两模态的幅值对称程度。
126.具体而言，锁相环分时复用来交替锁定两模态的最佳相位点；自动增益控制环路和力平衡控制环路分别用于两个模态的上升(ring up)和下降(ring down)过程，前者在上升阶段可以快速满足驱动幅值的需求，后者在下降阶段可以使幅值迅速下降并稳定，以缩短当前模态进入感应模态阶段的时间；自动增益环路和力平衡环路分别交替施加到两模态可以实现交替模态反转的过程，两模态的输出信号如图左侧所示，当一个模态处于驱动模态阶段时，另一模态处于敏感模态阶段，反之亦然。
127.在模态切换技术的实现中，两个陀螺模态的激励信号由两个单独的dac通道给出，所以当自动增益控制环路将两个模态的驱动幅值控制到一致时，两模态的幅值不对称误差会使得dac模块的输出信号幅值存在差异，这一差异便是后续进行校正的依据。
128.在通过dac模块输出信号的差异来对两模态的幅值不对称误差进行表征后，下一步将通过增量式pid控制算法对该误差进行校正。增量式pid控制算法是通过对控制量的增量(本次控制量和上次控制量的差值)进行pid控制的一种控制算法，在本发明中，增量式pid控制算法的输入误差是两模态dac通道输出信号的幅值差异，输出控制量是两模态adc电路的增益。通过增量式pid控制算法递推式的控制策略，陀螺两模态的激励信号幅值将快速达到一致，从而实现对双模差分式陀螺频差自校正方案下对于模态幅值对称性的校正。
129.具体的，本实施例中自动幅值再平衡过程的过程如下：
130.首先通过第一机电接口向陀螺传输x轴方向上的驱动信号，将陀螺在x轴方向上激励起来，随后通过第三机电接口接收来自陀螺x轴方向上的输出信号；在获取陀螺x轴方向上输出信号的幅值之后，在模态切换算法的作用下，利用锁相环电路将陀螺接口电路的工作频率切换为陀螺y轴方向上的谐振频率，从而将陀螺的驱动方向切换为y轴方向；此时第二机电接口向陀螺传输y轴方向上的信号，将陀螺在y轴方向上激励起来，通过第四机电接口接收陀螺y轴方向上的输出信号，获取陀螺y轴方向上输出信号的幅值；在分别获得陀螺x
轴和y轴两个方向上的幅值后，在微处理器内将二者的幅值作差，从而得到陀螺的幅值不对称误差；接下来在微处理器中，将这一不对称误差作为增量式pid算法的输入，将陀螺接口电路中adc电路的增益作为增量式pid算法的输出，通过对增量式pid算法中比例、积分、微分三个参数选定，进而动态改变adc电路的增益，最终将陀螺的幅值不对称误差控制为零，完成自动幅值再平衡的全过程。
131.在双模差分式陀螺频差自校正方案的实现中，频差辨识的精度是和锁相环的精度直接相关的，要想提高频差辨识的精度，最大的挑战便在于设计低噪声的锁相环控制方法。
132.基于此，本发明设计了能够精确跟踪陀螺谐振频率的在线学习控制方法，以提升锁相环性能，替代原有的pid控制算法建立了一种新型高精度锁相环。在线学习控制方法的核心思想是通过不断学习实时控制输入，以学习间隔时间以前的控制输入作为学习项，来对本次控制输入进行补偿，通过合理调整控制参数，以达到精密跟踪的效果。
133.在线学习控制方法的输入变量包括：
134.激励频率参考值(初始值)f
ref
，微处理器运算得到的实时x模态相位ψ
x
(t)和y模态相位ψy(t)，锁相环的锁定相位ψ
sp
，表示锁定某一模态的标志变量lockstate(例如若lockstate＝x则表示锁相x模态)，在线学习控制方法的控制参数k1和k2。本发明选择的学习间隔时间τ为1ms。在线学习控制方法的输出变量包括：最终运算得到的频率值f(t)，学习项频率值f(t-1)。具体的，锁相环电路的在线学习控制过程如下：
135.首先设置锁相环电路的初始频率参考值f
ref
。随后根据锁相环电路当前的相位锁定状态提取对应的相位值ψ
x
(t)和ψy(t)，将实时相位值与设定相位值ψ
sp
做差，得到实时误差值e
ψ
(t)；其中，ψ
x
(t)表示实时x模态相位值，ψy(t)表示实时y模态相位值。此处需要说明的是，锁相环电路在一个时间点下只能锁定一个模态的相位，因此当检测锁相状态为x模态时，实时误差值为x模态相位值与设定相位值作差，y模态计算方法相同。然后，将实时误差值e
ψ
(t)输入在线学习过程，利用在线学习控制律，通过对学习控制参数整定，得到精度更高的频率信号f(t)，实现对陀螺谐振频率的精密追踪。最终，将高精度的频率信号输入至第一、第二以及第三vga电路，并进一步通过第一、第二以及第五机电接口为陀螺提供驱动信号。
136.通过循环上述过程，实现提高锁相环电路频率控制精度的控制目标。
137.在线学习控制算法主要作用于驱动电路的锁相环部分。在驱动电路中，锁相环是必不可少的重要组成部分，是保障陀螺准确工作在谐振频率的关键环节。
138.当收到第十三、第十四接口传来的用于维持陀螺接口系统闭环控制的sum_i、sum_q信号之后，锁相环电路将利用在线学习算法快速锁定至陀螺谐振频率所对应的最佳相位点，从而提供一个具有更低噪声水平的频率信号，该信号将使得驱动电路具有更高的分辨率，从而极大地提高双模差分式陀螺频差自校正方案对于频差辨识的精度和准确度。
139.此外，为了达到频差信号精准检测与抑制的最终目标，本发明在双模差分式陀螺频差自校正方案和在线学习控制高精度锁相环的基础上，进一步提出了基于精细化滤波-最优校正控制的精细化在线频差校正方法，整体技术路线如下图6所示。
140.如图6所示，本实施例中精细化在线频差校正过程如下：
141.步骤1.基于多元时序滞回预测模型varma-kp的频差特征建模，根据多元时序滞回预测模型varma-kp的估计结果，获取陀螺频差信号的变化规律及其噪声特征。
142.频差信号的变化规律及其噪声特征是对频差信号进行精准校正的前提。
143.为了明确其变化规律及噪声特征，本发明提出了多元时序滞回预测模型varma-kp，建立陀螺关键参数误差预测模型，为后续精细化滤波和校正方法提供参考和预测模型。
144.该步骤1具体为：
145.步骤1.1.建立varma模型。
146.在微处理器在双模差分式陀螺驱动模式下输出频差信号后，将该频差信号引入精细化在线频差校正方法中；根据频差信号的关键参数特征，建立陀螺时间序列模型{x
t
}＝[c
xya
δqak
xya
δωa]
t
，得到关于频差的varma模型预测方程，如下所示：
[0147][0148]
其中，x
t
表示待辨识参数时间序列，表示待估计误差时间模型；c
xya
为varma模型中的阻尼耦合序列，δqa为varma模型中的品质因数序列，k
xya
为varma模型中的刚度耦合序列，δωa为varma模型中的频差序列；a为截距向量，bi和cj为参数矩阵；p表示参数矩阵bi的个数，q表示参数矩阵cj的个数，i∈{1,p}，j∈{1,q}；x
t-i
表示参数时间序列，η
t-j
表示白噪声序列。
[0149]
步骤1.2.建立kp迟滞非线性模型。
[0150]
为了对全温度范围内的频差特征进行全面的表征，在建立varma预测模型后，还要改变陀螺工作的环境温度，进而建立关于频差的kp迟滞非线性模型。
[0151]
根据温度实验所获取的数据，输入变量为温度t
t
，输出为{u
t
}＝[c
xyk
δqkk
xyk
δωk]
t
，因此，建立kp迟滞非线性模型公式为：
[0152][0153]
其中，h[t
t
]表示kp函数；u
t
表示待辨识参数温度序列，表示待估计参数温度序列；t
t
表示输入温度变量，k
p
[t
t
,ζ
p
]为迟滞算子，ζ
p
为迟滞算子输出寄存参数；μ(p)为迟滞算子的密度函数；c
xyk
表示kp迟滞非线性模型中的阻尼耦合序列，δqk表示kp迟滞非线性模型中的品质因数序列，k
xyk
表示kp迟滞非线性模型中的刚度耦合序列，δωk表示kp迟滞非线性模型中的频差序列；p为模型积分区域，p1表示模型积分区域参数序列输入的最小值，p2表示模型积分区域参数序列输入的最大值，p(p1,p2)表示preisach平面的积分区域，r2表示该积分区域的值域；β为kp迟滞非线性模型的最大输出。
[0154]
将kp迟滞非线性模型离散化，得陀螺频差关键参数与温度变化之间的关系表达式为：
[0155][0156]
其中，l表示kp积分区域格栅化时的划分条数，k
m,y
表示每个网格对应的迟滞算子，μ
m,y
表示每个网格对应的平均密度。
[0157]
步骤1.3.varma模型与kp模型融合。
[0158]
根据varma模型与kp模型的模型公式，组合后的陀螺频差特征预测结果为：
[0159][0160]
其中，表示组合后的陀螺频差特征预测数据集；参数向量β＝[bi,cj,μ
my
]是陀螺接口系统的待估计的特征参数。
[0161]
根据varma-kp预测模型的估计结果，根据varma-kp预测模型的估计结果，准确获取陀螺频差信号的变化规律及其噪声特征，为高效地在线校正提供了基础。
[0162]
步骤2.采用无迹卡尔曼滤波算法对陀螺频差信号精细化滤波，滤除频差信号中的噪声。
[0163]
在对微处理输出的频差信号变化规律及其噪声特征进行建模估计后，为提高校正的速度和准确度，步骤2要对频差信号中的噪声进行滤除。
[0164]
结合步骤1的频差预测模型，本发明采用无迹卡尔曼滤波算法对频差进行精细化滤波。相较于传统卡尔曼滤波算法，无迹卡尔曼滤波算法具有鲁棒性好、噪声特性适应性高等优点。
[0165]
该步骤2具体为：
[0166]
步骤2.1.首先对步骤1的多元时序滞回预测模型varma-kp建立转换模型，如下所示：
[0167]
β
t
＝fβ
t-1
+ω
t
。
[0168]
(ω
t
～n(0,q))。
[0169]
其中，β
t
表示t时刻的频差值，β
t-1
表示t-1时刻的频差值，ω
t
表示表示t时刻的噪声，f为转换矩阵。(ω
t
～n(0,q))表示ω
t
服从以q为中心的高斯分布。
[0170]
步骤2.2.建立步骤1模型融合的编码模型，如下所示：
[0171]zt
＝hβ
t
+r
t
。
[0172]
(r
t
～n(0,r))。
[0173]
其中，z
t
为检测量，h为测量矩阵，用来将测量的量转换成要估计的量，r
t
表示测量过程中存在的误差，r
t
也是服从高斯分布的白噪声。(r
t
～n(0,r))示r
t
服从以r为中心的高斯分布。
[0174]
根据上述模型预测β
t
为：
[0175]
β
t
′
＝fβ
t-1
。
[0176]
其中，β
t
′
表示t时刻的频差预测值，β
t-1
表示t时刻的频差值。
[0177]
计算预测β
t
的协方差p(β
t
|β
t
′
)为：
[0178]
p(β
t
|β
t
′
)＝fp(β
t
|c
t
)f
t
+q。
[0179]
其中，p(β
t
|c
t
)表示β
t
和c
t
之间的协方差，c
t
表示对应t时刻下的参数矩阵cu和cv。
[0180]
用多次采样的频差数据估计当前协方差矩阵，先采样2d+1个点，并保证多次采样的频差数据的中心点的值为β
t
′
，如下所示：
[0181]
c0＝β
t
′
。
[0182]
[0183][0184]
其中，cu和cv表示对应u，v计数值下的参数矩阵。d表示多次采样的频差数据的中心点，a表示采样补偿系数；计算采样点的权重值为：
[0185][0186]
其中，ω0表示采样点的权重初值，ωu表示第u个采样点的权重值。
[0187]
根据转换矩阵和采样点，计算观测值和测量值之间的关系为：
[0188]zw
＝h(cw),w＝0......,2d。
[0189][0190]
其中，zw表示第w个经过转换后的矩阵cu和cv，z
t
表示基于权重的zw平均值；h(cw)表示对第w个矩阵cu和cv利用转换矩阵进行转换。
[0191]
根据采样点估计的观测值，计算观测值p
zz,t
方差，以及p
zz,t
和测量值p
xz,t
的协方差为：
[0192][0193]
其中，s表示测量值与真实值之间不确定性(即观测传感器噪声)的协方差；
[0194][0195]
其中，z0表示矩阵zi的初值；根据计算的协方差，计算kalman增益为：
[0196][0197]
用卡尔曼增益计算最优估计值：
[0198]
β
t
＝β
t
′
+k
t
(h(β
t
′
)-z
t
)。
[0199][0200]
其中，k
t
表示t时刻所计算出的kalman增益；h(β
t
′
)表示对β
t
′
利用转换矩阵进行转换，p
βz,t
表示t时刻的协方差；至此，完成频差信号噪声的无迹卡尔曼滤波。
[0201]
该方案是对卡尔曼滤波的一种改进，通过引入ut变换，用采样的方式得到非线性模型的均值和方差，最终实现对于频差噪声的有效估计和精细化滤除。
[0202]
步骤3.采用在线滚动最优化控制算法进行频差的校正。
[0203]
在采用varma-kp模型和无迹卡尔曼滤波算法完成对频差信号的精细化提取后，最后一步便是采用高效的控制算法对频差进行高精度校正。
[0204]
本发明采用在线滚动最优化控制算法进行频差的校正，该算法和varma-kp模型、无迹卡尔曼滤波算法具有高度的适配性，可以基于varma-kp对频差等关键特征参数进行的有限时间预测，依据时钟基准和当前温度在线滚动计算最优控制序列，从而对误差来源做到最大程度抑制，最终显著抑制陀螺的频差。
[0205]
该步骤3具体为：
[0206]
首先在当前k时刻获取当前温度t和时间t，随后基于步骤2处理后得到的关键误差参数有限时间预测序列δω(t)和δq(t)，然后实时建立代价函数j：
[0207][0208]
其中，δω(t)和δq(t)为有限时间预测序列；n表示有限时间预测序列的维度。
[0209]uω
为静电软弹簧效应调节电压，uq为幅度调节控制输入量，u
ω
(t)表示t时刻的静电软弹簧效应调节电压，uq(t)表示t时刻的幅度调节控制输入量。
[0210]
预测未来n时刻的频差和品质因数变化：
[0211][0212]
分别表示k时刻和k+n时刻的静电软弹簧效应调节电压预测值。
[0213]
分别表示k时刻和k+n时刻的幅度调节控制输入量。
[0214]gω
和gq为标量函数，反映两个控制调节作用量和误差量的动力学特性，定义如下：
[0215][0216]
则有限时间内最优控制问题转化为使用梯度下降法，找到未来k时刻内的一组控制调节序列来满足以下优化问题：
[0217][0218][0219]
其中，和分别为静电软弹簧效应调节下限和上限；和分别为电压和幅度调节控制输入量的下限和上限；选取作为当前时刻最优调节输出，对频差变化和品质因数变化进行有效校正。
[0220]
进入k+1时刻后重复上述步骤，进行新一轮有限时间内预测和滚动优化，最终达到在动态精准抑制mems陀螺内部误差来源、提高频差校正精度的目的。
[0221]
步骤4.通过上述步骤1至步骤3，完成精细化在线频差校正的全部步骤。
[0222]
最终解调电路的微处理器输出一个对于频差的校正信号，并通过第八机电接口将该信号传送至第一电压源，由第一电压源通过第十五机电接口给定陀螺相应的调谐电压，将陀螺的x、y两个模态的谐振频率调至匹配，完成双模差分式陀螺频差自校正。
[0223]
本发明考虑了国产陀螺因工艺水平造成的幅值不对称问题，以及因此造成的国产陀螺与双模差分式陀螺频差自校正方案的适配性问题，由此设计了自动幅值再平衡方法，因而能够实现对陀螺两模态幅值的差异进行动态辨识，并通过增量式pid控制算法对该差异进行校正，提高了双模差分式陀螺频差自校正方案的信号检测灵敏度和频差校正准确度。
[0224]
本发明考虑了锁相环控制精度对于在线频差校正的影响，设计了基于在线学习控制的新型锁相环控制方法，降低了锁相环的噪声水平，提高了频差辨识的精度。
[0225]
本发明了考虑了双模差分式陀螺频差自校正方案下频差信号的动态变化规律，提出了基于“精细化滤波-最优校正控制”的精细化在线频差校正方法，其中：
[0226]
首先建立了时间序列和温度滞环相结合的频差预测模型，并基于无迹卡尔曼滤波算法实现了对频差信号的精准滤除，最后采用在线滚动最优控制算法对频差进行了高精度校正，显著提高了双模差分式陀螺频差自校正方案的动态性能。
[0227]
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。