技术特征：
1.一种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；其特征在于，所述机电接口包括第一、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；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：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；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；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；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：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；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；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；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；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；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；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：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；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：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；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；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；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；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；第一数据调制电路将信号传输至第一信号解算电路；第二数据调制电路将信号传输至第二信号解算电路；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：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；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；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；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；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；
微处理器输出的d/s选择信号通过第七机电接口输出；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；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；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；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；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；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；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。2.一种陀螺调制方法，其特征在于，基于上述权利要求1所述的mems陀螺接口电路实现；该陀螺调制方法的调制步骤如下：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：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：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；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；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：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；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；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。3.根据权利要求2所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述自动幅值再平衡过程的过程如下：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x轴和y轴两个方向上的幅值作差，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。4.根据权利要求2所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述锁相环电路的在线学习控制过程如下：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ψ
y
(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，ψ
y
(t)表示实时y模态相位值；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；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。5.根据权利要求2所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述精细化在线频差校正过程如下：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；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；步骤3.采用在线滚动最优化控制算法进行频差的校正；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；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。6.根据权利要求5所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1.建立varma模型；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 δq
a k
xya δω
a
]
t
，得到关于频差的varma模型预测方程，如下所示：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，δq
a
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，δω
a
为varma模型中的频差序列；a为截距向量，b
i
和c
j
为参数矩阵；p表示参数矩阵b
i
的个数，q表示参数矩阵c
j
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；步骤1.2.建立kp迟滞非线性模型；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；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 δq
k k
xyk δω
k
]
t
，因此，建立kp迟滞非线性模型公式为：其中，u
t
表示待辨识参数温度序列，表示待估计参数温度序列；c
xyk
表示kp迟滞非线性模型中的阻尼耦合序列，δq
k
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，δω
k
表示kp迟滞非线性模型中的频差序列；t
t
表示输入温度变量，h[t
t
]表示kp函数，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；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；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：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，下标m∈{1,l+1}，下标y∈{1,m}；步骤1.3.varma模型与kp模型融合；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：其中，表示组合后的陀螺频差特征预测数据集；参数向量β＝[b
i
,c
j
,μ
m,y
]是陀螺接口系统的待估计的特征参数；根据varma-kp预测模型的估计结果，获取陀螺频差信号的变化规律及其噪声特征。
7.根据权利要求5所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：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：β
t
＝fβ
t-1
+ω
t
；(ω
t
～n(0,q))；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；步骤2.2.建立步骤1模型融合的编码模型，如下所示：z
t
＝hβ
t
+r
t
；(r
t
～n(0,r))；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))表示r
t
服从以r为中心的高斯分布；根据上述模型预测β
t
为：β
t
′
＝fβ
t-1
；其中，β
t
′
表示t时刻的频差预测值，β
t-1
表示t-1时刻的频差值；计算预测β
t
的协方差p(β
t
|β
t
′
)为：p(β
t
|β
t
′
)＝fp(β
t
|c
t
)f
t
+q；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c
u
和c
v
；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：c0＝β
t
′
；；其中，c
u
和c
v
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：其中，ω0表示采样点的权重初值，ω
u
表示第u个采样点的权重值；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：z
w
＝h(c
w
),w＝0......,2d；其中，z
w
表示第w个经过转换后的矩阵c
u
和c
v
，z
t
表示基于权重的z
w
平均值；h(c
w
)表示对第w个矩阵c
u
和c
v
利用转换矩阵进行转换；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：其中，s表示测量值与真实值之间不确定性的协方差；
其中，z0表示矩阵z
i
的初值；根据计算的协方差，计算kalman增益为：用卡尔曼增益计算最优估计值：β
t
＝β
t
′
+k
t
(h(β
t
′
)-z
t
)；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。8.根据权利要求5所述的陀螺调制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：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：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；u
ω
为静电软弹簧效应调节电压，u
q
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，u
q
(t)表示t时刻的幅度调节控制输入量；预测未来n时刻的频差和品质因数变化：预测未来n时刻的频差和品质因数变化：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；分别表示k时刻和k+n时刻的幅度调节控制输入量；g
ω
和g
q
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：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：节序列来满足以下优化问题：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；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。
技术总结
本发明属于MEMS谐振式陀螺仪技术领域，具体公开了一种MEMS陀螺接口电路及调制方法。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，从而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。精度。精度。
技术研发人员：李崇 邢昌达 王字硕 孟相睿 綦声波
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.09.23
技术公布日：2022/11/29