半球谐振陀螺激励检测方法及系统与流程

1.本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺激励检测方法及系统。


背景技术：

2.半球谐振陀螺仪作为固体波动陀螺仪的一种，其核心部件石英谐振子在激励力的作用下作四波腹振荡，利用哥式效应敏感外界角速度。为了实现对半球谐振子精准控制，以实现更高精度，需要精确获得半球谐振子的振动状态。由于半球谐振子与基座电极构成电容，通过检测电极上电容的变化，来间接反映出陀螺的振动状态。
3.通常线路控制中采用激励、检测同时进行的方式，在激励端，有信号源产生与谐振子同频的正弦激励信号，在检测端，通常采用电荷放大器，将振动产生的电荷变化转化为电压的变化，进而后续进行滤波、解调等操作，获得陀螺的误差控制信号。
4.由于受半球谐振陀螺尺寸限制，其形成的极板电容通常在10pf以内，其微小的电容及其的灵敏，因此在激励端，会出现激励对激励信号、以及激励对检测信号的耦合干扰；在检测端，由于检测的信号后续在滤波、解调操作过程中，会受到器件不一致性等因素制约，不同通道间存在的增益不一致，相移不一致等，这些串扰信号、以及不一致的存在，会直接导致后续对陀螺信号误差信号解耦造成影响，因而对陀螺精度提升受到极大的制约。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种半球谐振陀螺激励检测方法及系统，实现激励信号与检测信号在频率上分离，防止激励信号对检测端的串扰，提高半球谐振陀螺精度。
6.本发明提供一种半球谐振陀螺激励检测方法，包括如下步骤：s10、通过控制单元输出第一激励信号和第二激励信号，通过信号生成单元输出第一载波信号和第二载波信号，其中，第一载波信号和第二载波信号为错频信号；s20、通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号；s30、通过切换单元以设定切换周期切换x模态和y模态，并将第一组合信号施加至x模态的激励电极，将第二组合信号施加至y模态的激励电极，利用检测单元对x模态的激励电极的第一振动信号和y模态的激励电极的第二振动信号分时进行检测提取，并对应转化为第一电压信号和第二电压信号；s40、通过解耦单元分别滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号和第二电压信号中耦合的第二激励信号，对应获得第一解耦信号和第二解耦信号；s50、通过信号解调单元分别对第一解耦信号和第二解耦信号进行解调，获得第一解调振动信号和第二解调振动信号；s60、通过控制单元分别对第一解调振动信号和第二解调振动信号计算分析，获得
x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量，完成对谐振子的激励检测控制。
7.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，所述第一载波信号与所述第二载波信号之间的频率差大于或等于200khz。
8.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s10步骤包括：通过信号生成单元根据第一预设频率生成第一载波信号：其中，为第一预设频率；b为方波设定幅值；t1为第一生成时间；通过信号生成单元根据第而预设频率生成第二载波信号：其中，为第二预设频率；b为方波设定幅值；t2为第二生成时间。
9.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s20步骤包括：通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号：其中，为第一激励信号的频率；t3为第一振动时间；为第一激励信号的相位；通过信号叠加单元将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号：其中，为第二激励信号的频率；t4为第二振动时间；为激励信号的相位。
10.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s30步骤包括：经切换单元对第一组合信号和第二组合信号转化为输出信号，并分时对应作用于x模态的激励电极和y模态的激励电极：其中，为波腹点电压；为波节点电压；t5为切换单元的切换时间t6为x模态时间；t7为y模态时间。
11.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s30步骤还包括：通过检测单元将第一振动信号转化为第一电压信号：其中，c
x
为表头电极电容；cf为检测单元反馈电容；a为转换系数；通过检测单元将第二振动信号转化为第二电压信号：其中，c
x
为表头电极电容；cf为检测单元反馈电容；a为转换系数。
12.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s40步骤包括：通过高通滤波器hpf滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号，获得第一解耦信号u
h1
，表示式为：；通过高通滤波器hpf滤除第二电压信号中耦合的第二激励信号，获得第二解耦信号u
h2
，表示式为：。
13.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s50步骤包括：通过低通滤波器lpf采用乘法解调方式对第一解耦信号解调，获得第一解调振动信号y1和，表示式为：；通过低通滤波器lpf采用乘法解调方式对第二解耦信号解调，获得第二解调振动信号y2和，表示式为：。
14.根据本发明提供的一种半球谐振陀螺激励检测方法，s60包括：通过数模转换器将x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量输出至谐振子。
15.本发明还提供一种半球谐振陀螺激励检测系统，用以执行如上任一项所述的半球谐振陀螺激励检测方法，包括：信号生成单元，用以生成第一激励信号、第二激励信号、第一载波信号和第二载波信号；信号叠加单元，包括加法器，所述加法器与所述信号生成单元电连接，用以将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生
成第二组合信号；切换单元，包括第一模拟开关和第二模拟开关，所述第一模拟开关的输入端与所述加法器的输出端电连接，所述第一模拟开关的输出端与谐振子电连接，所述谐振子与所述第二模拟开关的输入端电连接；所述第二模拟开关的输出端与电荷放大器；解耦单元，包括电荷放大器和高通滤波器，所述电荷放大器的输入端与所述第二模拟开关的输出端电连接，所述电荷放大器的输出端与所述高通滤波器的输入端电连接；信号解调单元，包括信号解调器和低通滤波器，所述信号解调器的输入端与所述高通滤波器的输出端电连接；所述信号解调器的输出端与所述低通滤波器的输入端电连接；控制单元，所述控制单元的输入端通过模数转换器与所述低通滤波器的输出端电连接，所述控制单元的输出端通过数模转换器与所述谐振子电连接。
16.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的半球谐振陀螺激励检测方法及系统，包括如下步骤：s10、通过控制单元输出第一激励信号和第二激励信号，通过信号生成单元输出第一载波信号和第二载波信号，其中，第一载波信号和第二载波信号为错频信号；s20、通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号；s30、通过切换单元以设定切换周期切换x模态和y模态，并将第一组合信号施加至x模态的激励电极，将第二组合信号施加至y模态的激励电极，利用检测单元对x模态的激励电极的第一振动信号和y模态的激励电极的第二振动信号分时进行检测提取，并对应转化为第一电压信号和第二电压信号；s40、通过解耦单元分别滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号和第二电压信号中耦合的第二激励信号，对应获得第一解耦信号和第二解耦信号；s50、通过信号解调单元分别对第一解耦信号和第二解耦信号进行解调，获得第一解调振动信号和第二解调振动信号；s60、通过控制单元分别对第一解调振动信号和第二解调振动信号计算分析，获得x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量，完成对谐振子的激励检测控制；通过激励信号与载波信号的叠加，再由解调单元进行调制，实现激励信号和检测信号在频率上的分离，防止激励信号对检测端的串扰，同时，通过切换单元对x模态和y模态的切换，实现同一个激励检测通道分时对x模态和y模态进行检测，消除不同激励检测通道线路引起的增益和相位不一致问题，提高半球谐振陀螺精度。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的半球谐振陀螺激励检测方法的流程示意图；图2是本发明提供的半球谐振陀螺激励检测系统的框式结构示意图。
20.附图标记：1、谐振子；2、电极；3、电荷放大器；4、信号解调器；5、低通滤波器；6、模数转换器；7、信号生成单元；8、控制单元；9、数模转换器；10、加法器；11、第一模拟开关；12、第二模拟开关。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
22.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
24.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
26.下面结合图1描述本发明的一种半球谐振陀螺激励检测方法，包括如下步骤：s10、通过控制单元输出第一激励信号和第二激励信号，通过信号生成单元输出第一载波信号和第二载波信号，其中，第一载波信号和第二载波信号为错频信号；
s20、通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号；s30、通过切换单元以设定切换周期切换x模态和y模态，并将第一组合信号施加至x模态的激励电极，将第二组合信号施加至y模态的激励电极，利用检测单元对x模态的激励电极的第一振动信号和y模态的激励电极的第二振动信号分时进行检测提取，并对应转化为第一电压信号和第二电压信号；s40、通过解耦单元分别滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号和第二电压信号中耦合的第二激励信号，对应获得第一解耦信号和第二解耦信号；s50、通过信号解调单元分别对第一解耦信号和第二解耦信号进行解调，获得第一解调振动信号和第二解调振动信号；s60、通过控制单元分别对第一解调振动信号和第二解调振动信号计算分析，获得x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量，完成对谐振子的激励检测控制。
27.在一个实施例中，所述第一载波信号与所述第二载波信号之间的频率差大于或等于200khz。通过第一载波信号与第二载波信号的错频设置，可有效避免检测信号之间的相互干扰。本实施例中，第一载波信号的频率设置为500khz，第二载波信号的频率设置为700khz。
28.在一个实施例中，s10步骤包括：通过信号生成单元根据第一预设频率生成第一载波信号：其中，为第一预设频率；b为方波设定幅值；t1为第一生成时间；通过信号生成单元根据第而预设频率生成第二载波信号：其中，为第二预设频率；b为方波设定幅值；t2为第二生成时间。
29.在一个实施例中，s20步骤包括：通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号：其中，为第一激励信号的频率；t3为第一振动时间；为第一激励信号的相位；通过信号叠加单元将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号：
其中，为第二激励信号的频率；t4为第二振动时间；为激励信号的相位。
30.在一个实施例中，s30步骤包括：经切换单元对第一组合信号和第二组合信号转化为输出信号，并分时对应作用于x模态的激励电极和y模态的激励电极：其中，为波腹点电压；为波节点电压；t5为切换单元的切换时间t6为x模态时间；t7为y模态时间。
31.在一个实施例中，s30步骤还包括：通过检测单元将第一振动信号转化为第一电压信号：其中，c
x
为表头电极电容；cf为检测单元反馈电容；a为转换系数；通过检测单元将第二振动信号转化为第二电压信号：其中，c
x
为表头电极电容；cf为检测单元反馈电容；a为转换系数。
32.在一个实施例中，s40步骤包括：通过高通滤波器hpf滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号，获得第一解耦信号u
h1
，表示式为：；通过高通滤波器hpf滤除第二电压信号中耦合的第二激励信号，获得第二解耦信号u
h2
，表示式为：。
33.在一个实施例中，s50步骤包括：通过低通滤波器lpf采用乘法解调方式对第一解耦信号解调，获得第一解调振动信号y1和，表示式为：
；通过低通滤波器lpf采用乘法解调方式对第二解耦信号解调，获得第二解调振动信号y2和，表示式为：。
34.在一个实施例中，s60包括：通过数模转换器da将x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量输出至谐振子。
35.下面对本发明提供的半球谐振陀螺激励检测系统进行描述，下文描述的半球谐振陀螺激励检测系统与上文描述的半球谐振陀螺激励检测方法可相互对应参照。
36.如图2所示，本发明还提供一种半球谐振陀螺激励检测系统，用以执行如上所述的半球谐振陀螺激励检测方法，包括：信号生成单元7，用以生成第一激励信号、第二激励信号、第一载波信号和第二载波信号；信号叠加单元，包括加法器10，所述加法器与所述信号生成单元电连接，用以将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号；切换单元，包括第一模拟开关11和第二模拟开关12，所述第一模拟开关的输入端与所述加法器的输出端电连接，所述第一模拟开关的输出端与谐振子电连接，所述谐振子与所述第二模拟开关的输入端电连接；所述第二模拟开关的输出端与电荷放大器；解耦单元，包括电荷放大器3和高通滤波器，所述电荷放大器的输入端与所述第二模拟开关的输出端电连接，所述电荷放大器的输出端与所述高通滤波器的输入端电连接；信号解调单元，包括信号解调器4和低通滤波器5，所述信号解调器的输入端与所述高通滤波器的输出端电连接；所述信号解调器的输出端与所述低通滤波器的输入端电连接；控制单元8，所述控制单元的输入端通过模数转换器6与所述低通滤波器的输出端电连接，所述控制单元的输出端通过数模转换器9与所述谐振子电连接。可以理解的是，谐振子1为半球谐振陀螺核心敏感单元，其四波腹振动状态下可敏感外界角速度。电极2与谐振子构成电容传感器，用于驱动和检测谐振子振动。电荷放大器用于提取谐振子的振动信息，并起到对信号转换和隔离放大作用。通过高通滤波器得到的含陀螺振动信息的高频调制信号，通过信号解调单元与第一载波信号和第二载波信号进行解调。信号解调单元的输出信号通过低通滤波器得到陀螺的振动信号。将获得的陀螺振动信号通过模数转换器ad将模拟量转化为数字量，控制单元根据模数转换器获取的陀螺的振动信号，计算控制回路所需的控制量。控制单元输出的陀螺的激励信号分别与第一载波信号和第二载波信号分别通过加法器生成叠加后的组合信号。第一模拟开关对组合信号进行分时控制，施加到电极上，第二模拟开关与第一模拟开关的同样的切换周期，对检测信号进行分时检测，从谐振子提取陀螺的振动信号。
37.在一个实施例中，信号生成单元和控制单元集成于fpga控制模块上。
38.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明提供的半球谐振陀螺激励检测方法及系统，包括如下步骤：s10、通过控制单元输出第一激励信号和第二激励信号，通过信号生成单元输出第一载波信号和第二载波信号，其中，第一载波信号和第二载波信号为错频信号；s20、通过信号叠加单元将第一激励信号与第一载波信号叠加生成第一组合信号，将第二激励信号与第二载波信号叠加生成第二组合信号；s30、通过切换单元以设定切换周期切换x模态和y模态，并将第一组合信号施加至x模态的激励电极，将第二组合信号施加至y模态的激励电极，利用检测单元对x模态的激励电极的第一振动信号和y模态的激励电极的第二振动信号分时进行检测提取，并对应转化为第一电压信号和第二电压信号；s40、通过解耦单元分别滤除第一电压信号中耦合的第一激励信号和第二电压信号中耦合的第二激励信号，对应获得第一解耦信号和第二解耦信号；s50、通过信号解调单元分别对第一解耦信号和第二解耦信号进行解调，获得第一解调振动信号和第二解调振动信号；s60、通过控制单元分别对第一解调振动信号和第二解调振动信号计算分析，获得x模态控制回路的输出量和y模态控制回路的输出量，完成对谐振子的激励检测控制；通过激励信号与载波信号的叠加，再由解调单元进行调制，实现激励信号和检测信号在频率上的分离，防止激励信号对检测端的串扰，同时，通过切换单元对x模态和y模态的切换，实现同一个激励检测通道分时对x模态和y模态进行检测，消除不同激励检测通道线路引起的增益和相位不一致问题，提高半球谐振陀螺精度。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。