一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法

1.本发明属于惯性技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法。


背景技术：

2.半球谐振陀螺工作原理是当存在外界角度输入时谐振子振动驻波由于科氏力的作用产生进动，并且进动角度与输入角度成正比。由于谐振子加工工艺限制导致谐振子周向阻尼分布不均匀，阻尼沿谐振子周向呈正弦分布。谐振子驻波会向阻尼轴漂移，进而影响半球谐振陀螺零偏稳定性。
3.综上所述，由于阻尼分布不均匀会导致谐振子驻波漂移，而谐振子驻波漂移会导致陀螺输出性能差，因此，提出一种可以降低陀螺漂移的方法是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决由于谐振子驻波漂移导致陀螺输出性能差的问题，而提出的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
6.一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，所述方法具体包括以下步骤：
7.步骤1、将半球谐振陀螺固定在速率转台上，且半球谐振陀螺的敏感轴与转台的回转轴平行；
8.步骤2、驱动半球谐振陀螺起振，并维持给定振幅；
9.步骤3、驱动转台旋转；
10.步骤4、转台转速稳定后，切断半球谐振陀螺驱动回路；
11.步骤5、采用上位机采集半球谐振陀螺振动信号c
x
、s
x
、cy和sy；
12.步骤6、根据振动信号c
x
、s
x
、cy和sy解算谐振子能量e；
13.步骤7、根据谐振子自由衰减模型，将解算得到的谐振子能量e通过非线性最小二乘法进行拟合，得出阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值
14.步骤8、根据阻尼轴方位角的估计值和阻尼不均匀幅值的估计值对谐振子驻波漂移进行补偿。
15.进一步地，所述步骤3中，驱动转台以500
°
/s的速度旋转。
16.进一步地，所述振动信号c
x
、s
x
、cy和sy分别为：
[0017][0018]
其中，a表示谐振子主波波幅，q表示正交波波幅，δ表示参考信号与实际振动信号相位差，θ表示谐振子驻波方位角。
[0019]
进一步地，所述步骤6中，根据振动信号c
x
、s
x
、cy和sy解算谐振子能量e；其具体为：
[0020]
e＝c
x2
+s
x2
+c
y2
+s
y2
[0021]
进一步地，所述谐振子自由衰减模型为：
[0022][0023]
其中，是e的一阶导数，τ为时间常数，θ
τ
为阻尼轴方位角，δ(τ-1
)为阻尼不均匀幅值。
[0024]
更进一步地，所述阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值的辨识过程为：
[0025]
步骤s1、设定阻尼轴方位角的初值θ
τ
(0)＝0，阻尼不均匀幅值的初值δ(τ-1
)(0)＝0；
[0026]
步骤s2、计算当前k时刻的值函数：
[0027][0028]
其中，为采集信号处理后当前k时刻的谐振子能量实际检测值，为根据谐振子自由衰减模型计算出的当前k时刻谐振子能量的理论值；
[0029]
步骤s3、计算值函数当前k时刻的雅可比矩阵jr(k)：
[0030][0031]
步骤s4、计算阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量：
[0032][0033]
其中，上角标t代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，δθ
τ
(k)是阻尼轴方位角在当前k时刻的增量，δ[δ(τ-1
)](k)是阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量；
[0034]
步骤s5、对下一时刻的阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值进行更新：
[0035][0036]
其中，θ
τ
(k+1)为k+1时刻的阻尼轴方位角，δ(τ-1
)(k+1)为k+1时刻的阻尼不均匀幅值；
[0037]
步骤s6、判断是否还有数据输入，若有数据输入，则令k＝k+1，并跳转到步骤s2，否则完成拟合。
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
本发明提出一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，通过采用谐振子自由衰减模型，可以同时辨识出阻尼轴方位角及阻尼不均匀幅值，然后在控制回路中根据阻尼轴方位角及阻尼不均匀幅值进行补偿，可以降低谐振子驻波漂移，进而提高陀螺输出性能。
附图说明
[0040]
图1为本发明的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法的流程图。
具体实施方式
[0041]
下面通过具体实施方式结合附图对本技术作进一步详细说明。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0042]
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0043]
步骤1、将半球谐振陀螺固定在速率转台上，且半球谐振陀螺的敏感轴与转台的回转轴平行；
[0044]
步骤2、驱动半球谐振陀螺起振；并维持一定振幅；
[0045]
步骤3、驱动转台旋转；
[0046]
步骤4、转台转速稳定后，切断半球谐振陀螺驱动回路；
[0047]
步骤5、采用上位机采集半球谐振陀螺振动信号c
x
、s
x
、cy和sy；
[0048]
步骤6、根据振动信号c
x
、s
x
、cy和sy解算谐振子能量e；
[0049]
步骤7、根据谐振子自由衰减模型，将解算得到的谐振子能量e通过非线性最小二乘法进行拟合，得出阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值
[0050]
本发明也可以采用扩展卡尔曼滤波等其他非线性辨识算法来实现。
[0051]
步骤8、根据阻尼轴方位角的估计值和阻尼不均匀幅值的估计值对谐振子驻波漂移进行补偿。
[0052]
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤3中，驱动转台以500
°
/s的速度旋转。
[0053]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0054]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述振动信号c
x
、s
x
、cy和sy分别为：
[0055][0056]
其中，a表示谐振子主波波幅，q表示正交波波幅，δ表示参考信号与实际振动信号相位差，θ表示谐振子驻波方位角。
[0057]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0058]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤6中，根据振动信号c
x
、s
x
、cy和sy解算谐振子能量e；其具体为：
[0059]
e＝c
x2
+s
x2
+c
y2
+s
y2
[0060]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0061]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述谐振子自由衰减模型为：
[0062][0063]
其中，是e的一阶导数，τ为时间常数，θ
τ
为阻尼轴方位角，δ(τ-1
)为阻尼不均匀幅值。
[0064]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0065]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值的辨识过程为：
[0066]
步骤s1、设定阻尼轴方位角的初值θ
τ
(0)＝0，阻尼不均匀幅值的初值δ(τ-1
)(0)＝0；
[0067]
步骤s2、计算当前k时刻的值函数：
[0068][0069]
其中，为采集信号处理后当前k时刻的谐振子能量实际检测值，为根据谐振子自由衰减模型计算出的当前k时刻谐振子能量的理论值；
[0070]
步骤s3、计算值函数当前k时刻的雅可比矩阵jr(k)：
[0071][0072]
步骤s4、计算阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量：
[0073][0074]
其中，上角标t代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，δθ
τ
(k)是阻尼轴方位角在当前k时刻的增量，δ[δ(τ-1
)](k)是阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量；
[0075]
步骤s5、对下一时刻的阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值进行更新：
[0076][0077]
其中，θ
τ
(k+1)为k+1时刻的阻尼轴方位角，δ(τ-1
)(k+1)为k+1时刻的阻尼不均匀幅值；
[0078]
步骤s6、判断是否还有数据输入，若有数据输入，则令k＝k+1，并跳转到步骤s2，否则完成拟合。
[0079]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0080]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以
做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤1、将半球谐振陀螺固定在速率转台上，且半球谐振陀螺的敏感轴与转台的回转轴平行；步骤2、驱动半球谐振陀螺起振，并维持给定振幅；步骤3、驱动转台旋转；步骤4、转台转速稳定后，切断半球谐振陀螺驱动回路；步骤5、采用上位机采集半球谐振陀螺振动信号c
x
、s
x
、c
y
和s
y
；步骤6、根据振动信号c
x
、s
x
、c
y
和s
y
解算谐振子能量e；步骤7、根据谐振子自由衰减模型，将解算得到的谐振子能量e通过非线性最小二乘法进行拟合，得出阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值步骤8、根据阻尼轴方位角的估计值和阻尼不均匀幅值的估计值对谐振子驻波漂移进行补偿。2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述步骤3中，驱动转台以500
°
/s的速度旋转。3.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述振动信号c
x
、s
x
、c
y
和s
y
分别为：其中，a表示谐振子主波波幅，q表示正交波波幅，δ表示参考信号与实际振动信号相位差，θ表示谐振子驻波方位角。4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述步骤6中，根据振动信号c
x
、s
x
、c
y
和s
y
解算谐振子能量e；其具体为：e＝c
x2
+s
x2
+c
y2
+s
y2
。5.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述谐振子自由衰减模型为：其中，是e的一阶导数，τ为时间常数，θ
τ
为阻尼轴方位角，δ(τ-1
)为阻尼不均匀幅值。6.根据权利要求5所述的一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，其特征在于，所述阻尼轴方位角的估计值以及阻尼不均匀幅值的估计值的辨识过程为：步骤s1、设定阻尼轴方位角的初值θ
τ
(0)＝0，阻尼不均匀幅值的初值δ(τ-1
)(0)＝0；步骤s2、计算当前k时刻的值函数：
其中，为采集信号处理后当前k时刻的谐振子能量实际检测值，为根据谐振子自由衰减模型计算出的当前k时刻谐振子能量的理论值；步骤s3、计算值函数当前k时刻的雅可比矩阵j
r
(k)：步骤s4、计算阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量：其中，上角标t代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，δθ
τ
(k)是阻尼轴方位角在当前k时刻的增量，δ[δ(τ-1
)](k)是阻尼不均匀幅值在当前k时刻的增量；步骤s5、对下一时刻的阻尼轴方位角和阻尼不均匀幅值进行更新：其中，θ
τ
(k+1)为k+1时刻的阻尼轴方位角，δ(τ-1
)(k+1)为k+1时刻的阻尼不均匀幅值；步骤s6、判断是否还有数据输入，若有数据输入，则令k＝k+1，并跳转到步骤s2，否则完成拟合。

技术总结
一种半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识方法，它属于惯性技术领域。本发明解决了由于谐振子驻波漂移导致陀螺输出性能差的问题。本发明采取的主要技术方案为：步骤1、将半球谐振陀螺固定在速率转台上，且半球谐振陀螺的敏感轴与转台的回转轴平行；步骤2、驱动半球谐振陀螺起振，并维持给定振幅；步骤3、驱动转台旋转；步骤4、转台转速稳定后，切断半球谐振陀螺驱动回路；步骤5、采用上位机采集半球谐振陀螺振动信号；步骤6、解算谐振子能量E；步骤7、辨识阻尼轴方位角以及阻尼不均匀幅值；步骤8、对谐振子驻波漂移进行补偿。本发明方法可以应用于半球谐振陀螺阻尼不均匀辨识。陀螺阻尼不均匀辨识。陀螺阻尼不均匀辨识。


技术研发人员：王奇 奚伯齐 王常虹 伊国兴 李汉时 解伟男
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/13