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专利名称：一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法
技术领域：
本发明属于角速率陀螺技术领域，具体涉及一种钟形振子式角速率陀螺的信号提取方法。
背景技术：
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导的核心部件。基于哥氏力原理的振动陀螺具有所有的惯性品质，其在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的关注。在科学技术发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。专利号为ZL201010215745. 1，发明名称为钟形振子式角速率陀螺的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺的信号提取方法设计，是采用单一传感器进行测量，而且没有具体给出陀螺信号提取方法。

发明内容
本发明的目的是为了弥补单一传感器造成的陀螺漂移信号大、温度特性差、分辨率低等缺点，同时也为了弥补钟形振子式角速率陀螺测量领域的空白。提供了一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，该方法降低了陀螺漂移、提高了温度特性和陀螺输出分辨率。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，包括以下步骤
步骤I，对压电片A、压电片E构成的 > 轴向施加振子激励信号；
步骤2，提取压电片C、压电片G、压电片D、压电片H和8个电容传感器信号；
步骤3，对采集的信号进行融合，计算轴向、轴向&、轴向Jk、轴向的输出信号；
步骤4，利用轴向Xp上的输出信息，对输入信号进行幅度稳定控制和频率稳定控制；
步骤5，利用轴向)^上的输出信息，计算正交误差和速率误差；
步骤6，对计算的正交误差和速率误差进行合成，生成轴向方向上的控制力矩，同时输出输入角速率。与现有技术相比，本发明的有益效果是
(1)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，是对钟形振子进行分析，利用其振动特性对输入角速率进行解算；
(2)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，采用电容传感器和压电传感器复合检测，提高了陀螺整体性能；
(3)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法弥补单一传感器造成的陀螺漂移信号大、温度特性差、分辨率低等缺点，同时也为了弥补钟形振子式角速率陀螺测量领域的空白。提供了一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，该方法降低了陀螺漂移、提高了温度特性和陀螺输出分辨率。


图1为钟形振子式角速率陀螺信号提取方法流程 图2为钟形振子式角速率陀螺传感器布局剖视 图3为钟形振子振动效果示意图。
具体实施例方式钟形振子式角速率陀螺的原理是利用发生谐振的钟形振子旋转时引起的振型角度的进动，来确定陀螺基座绕惯性空间旋转的角度。为使钟形振子能产生环向波数的理想振型，必须准确地控制钟形振子的激振频率，而这一频率正是钟形振子在该振型下的 固有频率，使得到的钟形振子能产生理想振型，从而敏感输入角速率。钟形振子的传感器分布如图2所示。8个压电片压电片A(l_2)、压电片B(l_5)、压电片C (1-8)、压电片D (1-11)、压电片E (1-14)、压电片F (1-16)、压电片G (1-18)、压电片H (1-20)均匀分布在钟形振子(1-4)外表面；8个电容传感器电容传感器A (1-3)、电容传感器B (1-6)、电容传感器C (1-9)、电容传感器D (1-13)、电容传感器E (1-15)、电容传感器F (1-17)、电容传感器G (1-19)、电容传感器H (1-20)均匀分布在钟形振子式角速率陀螺的中轴上，与钟形振子内壁(1-4)有5 u m间距。在钟形振子振动过程中，振子边缘
会产生四波腹振动，形成4个固有刚性轴系轴向V，(1-1)、轴向3 (1-10)、轴向I (1-7)和轴向 (1-12)。本发明提供的钟形振子式角速率陀螺信号提取方法的流程如图1所示，具体如下
步骤1，对压电片A (1-2)、压电片E (1-14)构成的轴向(1-1)施加振子激励信号；经过计算分析与实验，钟形振子的固有频率为6658. 5Hz。由控制电路施加频率为6658. 5Hz、幅值为IOV的正弦信号在压电片A (1-2)、压电片E (1-14)上，即在轴向Xn (1-1)
施加激励信号，待稳定后，振子进入谐振状态。在轴向(1-1)与轴向Xp (1-10)方向上产
生四波腹振动，在振型A (2-1)与振型B (2-2)之间快速切换，如图3所示。激励信号数学描述如下
x&t = AxisH2^fj)
其中，尨=IOf,,厶=66紙Sfe。步骤2，提取压电片C (1-8)、压电片G (1-18)、压电片D (1-11)、压电片H (1-14)和8个电容传感器信号；
利用压电片信号采集电路对压电片C (1-8)、压电片G (1-18)、压电片D (1-11)、压电片H (1-14)进行信号采集。利用电容传感器采集电路对电容传感器A (1-3)、电容传感器B (1-6)、电容传感器C (1-9)、电容传感器D (1-13)、电容传感器E (1-15)、电容传感器F(1-17)、电容传感器G (1-19)、电容传感器H (1-20)进行信号采集。步骤3，对采集的信号进行融合，计算轴向Xij (1-1)、轴向1 (1-10)、轴向I(1-7)、轴向(1-12)的输出信号；
压电片C (1-8)与压电片G (1-18)均为测量轴向X、的输出信号，故将压电片C (1-8)与压电片G (1-18)进行差分处理，得出压电传感器测量出的轴向& (1-10)的压电输出信号;压电片D (1-11)与压电片H (1-14)均为测量轴向(1-12)的压电输出信号，故将压电片D (1-11)与压电片H (1-14)进行差分处理，得出压电传感器测量出的轴向(1-12)的压电输出信号。电容传感器A (1-3)与电容传感器E (1-15)通过差分电容检测电路，测量轴向(1-1)的电容输出信号;电容传感器B (1-6)与电容传感器F (1-17)通过差分电容检测电路，测量轴向^ (1-7)的电容输出信号;电容传感器C (1-9)与电容传感器G (1-19)通过差分电容检测电路，测量轴向& (1-10)的电容输出信号;电容传感器D (1-13)与电容传感器H (1-20)通过差分电容检测电路，测 量轴向(1-12)的电容输出信号。对于轴向 (1-1)，其上压电片A (1-2)和压电片E (1-14)激励振子振型，不负责振型检测，故在该轴系上缺少压电检测数据。由于在同一检测环上，轴向Xn (1-1)与轴向)(1-1)的上压电输出信号在幅值上相等，相位上相差I，故可通过对轴向Xp (1-1)的压
电输出信号进行相移处理，得出虚拟的轴向(1-1)上的压电输出信号。通过对压电检测电路与差分电容检测电路的前期调'!V，使各压电输出信号与各电容输出信号处于同一敏感区间，即对应测得的轴向位移为同一标度因数。所以，可通过轴內> C1-1)上
的压电输出信号_pie和电容输出信号Xn _e得，生成轴向(卜1 )的实际敏感信号
- 2 + 尤_—)( 1 )
同理，轴向(1-7)，其上压电片B (1-5)和压电片F (1-16)负责提供振子工作所需的正交控制与速率控制，不负责振型信号检测。由于在同一检测环上，轴向/ (1-7)与轴向yp (1-12)的上压电输出信号在幅值上相等，相位上相差I故可通过对轴向JFn (1-7)的压电输出信号进行相移处理，得出虚拟的轴向I (1-7)上的压电输出信号。通过对压电检测电路与差分电容检测电路的前期调节，使各压电输出信号与各电容输出信号处于同一敏感区间，即对应测得的轴向位移为同一标度因数。所以，可通过轴向I (1-7)上
的压电输出信号和电容输出信号，生成轴向Jn (1-7)的输出信号
权利要求
1.一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，其特征在于包括以下步骤， 步骤1，对压电片A、压电片E构成的、轴向施加振子激励信号； 步骤2，提取压电片C、压电片G、压电片D、压电片H和8个电容传感器信号； 步骤3，对采集的信号进行融合，计算轴向\、轴向\、轴向Jr、轴向的输出信号； 步骤4，利用轴向上的输出信息，对输入信号进行幅度稳定控制和频率稳定控制； 步骤5，利用轴向)^上的输出信息，计算正交误差和速率误差； 步骤6，对计算的正交误差和速率误差进行合成，生成轴向凡方向上的控制力矩，同时输出输入角速率。
2.根据权利要求1所述的一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，其特征在于在步骤2中，利用压电片信号采集电路对压电片C、压电片G、压电片D、压电片H进行信号采集；利用电容传感器采集电路对8个电容传感器进行信号采集。
3.根据权利要求1所述的一种钟形振子式角速率陀螺信号提取方法，其特征在于在步骤3中， 通过轴向上的压电输出信号I和电容输出信号，生成轴向的实际敏感信号
全文摘要
一种钟形振子式角速率陀螺的信号提取方法，包括(1)对压电片A、压电片E构成的轴向施加振子激励信号；(2)提取压电片C、压电片G、压电片D、压电片H和8个电容传感器信号；(3)对采集的信号进行融合，计算轴向、轴向、轴向、轴向的输出信号；(4)利用轴向上的输出信息，对输入信号进行幅度稳定控制和频率稳定控制；(5)利用轴向上的输出信息，计算正交误差和速率误差；(6)对计算的正交误差和速率误差进行合成，生成轴向方向上的控制力矩，同时输出输入角速率。本发明弥补了单一压电器件对陀螺输出信息的影响，提高了钟形振子式角速率陀螺的设计精度，为钟形振子式角速率陀螺的设计奠定了基础。
文档编号G01C19/56GK103017748SQ201210509680
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者刘宁, 邓志红, 苏中, 付梦印, 李擎, 刘洪 申请人:北京信息科技大学, 北京理工大学