谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台

摘要

本发明公开了一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台，该方法包括：通过控制信号使陀螺工作在速率积分模式下，并使陀螺振型角处于自进动状态，直至振型角遍历陀螺谐振结构整个轴向；在振型角自进动的过程中，采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到谐振频率数据集与振型角数据集；基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，并基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量/刚度修调。本发明应用于陀螺谐振结构修调领域，通过自进动可实现对刚度轴位置以及频率裂解的快速精确辨识，从而显著提升修调效率，并且有效地避免了环境温度变化引起的频率漂移对频率裂解测量的影响。

权利要求

1.一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法，其特征在于，包括如下步骤：通过控制信号使陀螺工作在速率积分模式下，并使陀螺振型角处于自进动状态，直至振型角遍历陀螺谐振结构整个轴向；

在振型角自进动的过程中，采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到谐振频率数据集与振型角数据集，其中，谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角一一对应；

基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，并基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量和/或刚度修调。

2.根据权利要求1所述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法，其特征在于，所述基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：谐振频率数据集中谐振频率最大值与谐振频率最小值之间的频差Δf即为陀螺谐振结构的频率裂解；

谐振频率数据集中谐振频率最小值所对应的振型角θω以及θω+45°即为陀螺谐振结构刚度轴的位置。

3.根据权利要求1所述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法，其特征在于，所述基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：以振型角为横轴、谐振频率为纵轴，对谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角进行拟合，得到谐振频率‑振型角拟合曲线；

基于谐振频率‑振型角拟合曲线得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置。

4.根据权利要求3所述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法，其特征在于，所述基于谐振频率‑振型角拟合曲线得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：所述谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率峰值与谐振频率谷值之间的频差Δf即为陀螺谐振结构的频率裂解；

所述谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率谷值所对应的振型角θω以及θω+45°即为陀螺谐振结构刚度轴的位置。

5.根据权利要求2至4任一项所述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法，其特征在于，所述基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量和/或刚度修调，具体为：在陀螺谐振结构的刚度轴位置θω和/或θω+45°处进行刚度修调和/或质量修调。

6.一种谐振结构频率裂解辨识与修调平台，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法对陀螺谐振结构进行频率裂解辨识与修调；

所述谐振结构频率裂解辨识与修调平台包括：

速率积分测控系统，与陀螺谐振结构电连接，用于对陀螺谐振结构施加控制信号使陀螺工作在速率积分模式下同时处于振型角自进动状态，并在振型角自进动的过程中采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置；

修调系统，与所述速率积分测控系统、陀螺谐振结构电连接，用于接收速率积分测控系统所输出的陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置，并基于陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置对陀螺谐振结构进行刚度修调和/或质量修调。

说明书

谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台

技术领域

[0001] 本发明涉及陀螺谐振结构修调技术领域，具体是一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台。

背景技术

[0002] 陀螺是用于运动控制、姿态监测、导航制导等领域的核心器件，在国防和工业领域具有广阔的应用空间。目前，基于哥氏力效应的振动式陀螺具有精度高、寿命长以及可靠性高的优势，已经逐渐成为陀螺发展的主流方向。对于振动式陀螺，其工作模式可分为速率模式和速率积分模式两种。工作在速率模式下的陀螺具有高精度、低噪声的优势，但却存在低动态以及标度因数不稳定等问题。相反地，在速率积分模式下，陀螺同时具备高精度、大动态以及标度因数稳定的优势，是未来高性能谐振陀螺发展的必然方向。但是速率积分陀螺对于谐振结构的对称性有着极其苛刻的要求，谐振结构任何不对称性因素均会导致较大的角度漂移误差。由于谐振结构的加工和制造误差的存在，陀螺谐振结构的不对称性误差主要表现为阻尼不均匀和刚度不均匀。

[0003] 其中，刚度不均匀主要表现为谐振结构各个方向的刚度不一致，导致谐振陀螺的驱动和检测模态的谐振频率不一致，产生频率裂解，并最终引起陀螺产生漂移误差。因此必须通过修调的方式使陀螺的驱动和检测模态的谐振频率相同，实现模态匹配，才能最终消除频率裂解引起的漂移误差，从而进一步提升陀螺性能。

[0004] 针对陀螺刚度不均匀的消除，主要包括静电修调和机械修调两种方式。其中静电修调是采用在谐振结构电极施加直流电压的方式，利用负刚度效应将两个模态的频率裂解进行消除，从而实现模态匹配。由于静电修调只是等效改变了谐振结构刚度，并未从根本上实现对谐振结构的频率裂解的修调，因此存在环境适应性差和修调能力有限的问题。相反地，机械修调是通过直接改变谐振结构质量或者刚度的方式对频率裂解进行修调，从根本上减小了谐振结构的刚度不均匀，是提升陀螺性能的关键手段。

[0005] 在进行机械修调时，首先需要能够辨识出谐振结构的刚度不均匀，然后可以采用超声加工、磨削、离子束以及激光等加工手段对谐振结构进行质量或者刚度修调。目前，针对于谐振结构的刚度不均匀测试主要采用扫频法，此方法不仅存在扫频时间长效率低的问题，而且辨识精度较差，无法实现对于刚度不均匀的精准修调。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台，在速率积分模式下，通过振型角自进动的方式，可以快速测量出陀螺谐振结构的刚度不均匀。另外，采用速率积分测控系统可以显著提升刚度不均匀的辨识精度，从而实现对于刚度不均匀的精准修调。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法，包括如下步骤：

[0008] 通过控制信号使陀螺工作在速率积分模式下，并使陀螺振型角处于自进动状态，直至振型角遍历陀螺谐振结构整个轴向；

[0009] 在振型角自进动的过程中，采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到谐振频率数据集与振型角数据集，其中，谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角一一对应；

[0010] 基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，并基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量/刚度修调。

[0011] 在其中一个实施例，所述基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：

[0012] 谐振频率数据集中谐振频率最大值与谐振频率最小值之间的频差 即为陀螺谐振结构的频率裂解；

[0013] 谐振频率数据集中谐振频率最小值所对应的振型角 以及 即为陀螺谐振结构刚度轴的位置。

[0014] 在其中一个实施例，所述基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：

[0015] 以振型角为横轴、谐振频率为纵轴，对谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角进行拟合，得到谐振频率‑振型角拟合曲线；

[0016] 基于谐振频率‑振型角拟合曲线得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置。

[0017] 在其中一个实施例，所述基于谐振频率‑振型角拟合曲线得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：

[0018] 所述谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率峰值与谐振频率谷值之间的频差即为陀螺谐振结构的频率裂解；

[0019] 所述谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率谷值所对应的振型角 以及即为陀螺谐振结构刚度轴的位置。

[0020] 在其中一个实施例，所述基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量/刚度修调，具体为：

[0021] 在陀螺谐振结构的刚度轴位置 和/或 处进行刚度修调和/或质量修调。

[0022] 为实现上述目的，本发明还提供一种谐振结构频率裂解辨识与修调平台，采用上述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法对陀螺谐振结构进行频率裂解辨识与修调；

[0023] 所述谐振结构频率裂解辨识与修调平台包括：

[0024] 速率积分测控系统，与陀螺谐振结构电连接，用于对陀螺谐振结构施加控制信号使陀螺工作在速率积分模式下同时处于振型角自进动状态，并在振型角自进动的过程中采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置；

[0025] 修调系统，与所述速率积分测控系统、陀螺谐振结构电连接，用于接收速率积分测控系统所输出的陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置，并基于陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置对陀螺谐振结构进行刚度修调和/或质量修调。

[0026] 本发明提供的一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台，创新性地利用陀螺振型角自进动实现了对频率裂解 和刚度轴的位置 的精准辨识。相比传统的扫频法耗时长、无法辨识刚度轴位置的缺点，本发明通过自进动可实现对刚度轴位置以及频率裂解的快速精确辨识，从而显著提升修调效率，并且避免了环境温度变化引起的频率漂移对频率裂解测量的影响。此外，在速率积分测控系统下陀螺的频率裂解的测量分辨率要远远优于传统扫频法，可实现对陀螺谐振结构频率裂解的精密修调。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

[0028] 图1为本发明实施例中陀螺谐振结构刚度轴示意图；

[0029] 图2为本发明实施例中谐振结构频率裂解辨识与修调方法的流程图；

[0030] 图3为本发明实施例中陀螺振型角的进动示意图；

[0031] 图4为本发明实施例中振型角进动后谐振频率在振型角下的分布结果示意图；

[0032] 图5为本发明实施例中谐振结构频率裂解辨识与修调平台的结构图；

[0033] 图6为本发明实施例中速率积分测控系统的工作原理图。

[0034] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

[0036] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0037] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

[0038] 理想情况下，谐振陀螺各方向刚度大小均相等，电极始终与刚度主轴对准。但是由于陀螺谐振结构的材料缺陷以及制造误差的存在，陀螺谐振结构的刚度难以实现完全对称，便会出现刚度不均匀。为了方便分析，可将陀螺谐振结构等效为一个图1所示的陀螺谐振结构刚度轴示意图。其中，x,y为所在的方向为电极所在位置，用于陀螺谐振结构的驱动和检测。陀螺谐振结构的刚度不均匀可表示为两个刚度轴 和 ，其刚度分别为 和（假设 < ），且刚度轴方向通常与电极方向也存在一定角度偏差 。假设两个刚度轴的刚度系数分别为k1和k2，那么陀螺谐振结构的两个刚度轴的刚度便可表示为：

[0039] （1）

[0040] 其中，mx和my分别为陀螺谐振结构两个刚度轴方向的等效质量。

[0041] 那么陀螺谐振结构由刚度不均匀引起的频率裂解 便可表示为：

[0042] （2）

[0043] 由公式(2)可知，若要消除陀螺谐振结构的频率裂解 ，只需要通过修调使两个刚度轴的刚度 和 相等即可。对于机械修调，可以采用刚度修调或者质量修调两种方法。依据公式(1)可知，如果采用刚度修调方法，那么可以通过修调使k1增大或者k2减小。同理地，如果采用质量修调的方法，则需要通过修调使mx减小或者mx增大。

[0044] 在机械修调中，通常采用超声加工、磨削、离子束以及激光等加工手段对陀螺谐振结构的质量或者刚度进行修调。但是若要高效地实现精密修调，最关键的是能精准辨识出陀螺谐振结构的频率裂解 和刚度轴的位置 。

[0045] 目前，普遍采用扫频法对陀螺谐振结构的频率裂解 和刚度轴的位置 进行辨识。这种方法只能通过对陀螺电极所在轴向位置进行扫频的方式来测量频率裂解和刚度轴的位置。这种方法不能准确获知刚度轴的位置 ，只能判断出刚度轴所处的范围区间，因此需要按照先将刚度轴修调至坐标轴x、y的方向，然后再修调频率裂解的顺序进行修调，如此反复，显著降低修调效率。此外，在扫频阶段需要较长的时间，因此环境温度引起的频率漂移会叠加到频率裂解的测量结果中，最终限制了频率裂解 的测量精度。综上所述，不论修调效率还是测量精度，扫频法均不能满足精密修调的需求。相反地，如果能够精准辨识出频率裂解 和刚度轴的位置 ，那么便可直接在刚度轴所在方位进行修调，从而实现高效率精密修调。基于此，参考图2，本实施例提出了一种谐振结构频率裂解辨识与修调方法，具体包括如下步骤：

[0046] 通过控制信号使陀螺工作在速率积分模式下，并使陀螺振型角处于自进动状态，直至振型角遍历陀螺谐振结构整个轴向；

[0047] 在振型角自进动的过程中，采集陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，得到谐振频率数据集与振型角数据集，其中，谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角一一对应；

[0048] 基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识，得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，并基于辨识结果对陀螺谐振结构进行质量/刚度修调，具体为：在陀螺谐振结构的刚度轴位置 和/或 处进行刚度修调和/或质量修调。

[0049] 在具体实施过程中，基于谐振频率数据集与振型角数据集进行辨识得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置具有两种实施方式，具体地：

[0050] 第一种实施方式为：将谐振频率数据集中谐振频率最大值与谐振频率最小值相减，两者之间的频差 即为陀螺谐振结构的频率裂解；谐振频率数据集中谐振频率最小值所对应的振型角 以及 即为陀螺谐振结构刚度轴的位置；

[0051] 第二种实施方式为：以振型角为横轴、谐振频率为纵轴，对谐振频率数据集中的谐振频率与振型角数据集中的振型角进行拟合，得到谐振频率‑振型角拟合曲线，再基于谐振频率‑振型角拟合曲线得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴的位置，具体为：

[0052] 谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率峰值与谐振频率谷值之间的频差 即为陀螺谐振结构的频率裂解；

[0053] 谐振频率‑振型角拟合曲线中谐振频率谷值所对应的振型角 以及 即为陀螺谐振结构刚度轴的位置。

[0054] 以图3、图4为例，如图3所示为陀螺振型角的进动示意图，当振型角遍历陀螺谐振结构整个周期时，便可得到陀螺谐振结构每个振型角的谐振频率。如图4所示为振型角进动后，谐振频率在振型角下的分布结果，对测量结构进行拟合，可以得到此时陀螺谐振结构的谐振频率‑振型角拟合曲线。在谐振频率‑振型角拟合曲线中，谐振频率峰值与谐振频率谷值之间的频差即为频率裂解，根据图4可知，频率裂解 ，其刚度轴的位置以及 ，将辨识结果 、 输入到修调设备中，便可通过质
量修调/刚度修调的方式，高效地减小陀螺谐振结构频率裂解。

[0055] 基于上述的谐振结构频率裂解辨识与修调方法，本实施例还公开了一种谐振结构频率裂解辨识与修调平台，该谐振结构频率裂解辨识与修调平台包括速率积分测控系统与修调系统。

[0056] 参考图5，速率积分测控系统与陀螺谐振结构电连接，用于对陀螺谐振结构施加控制信号使陀螺工作在速率积分模式下，并在控制力作用下使陀螺谐振结构的振型角处于自进动状态；同时速率积分测控系统在陀螺谐振结构振型角自进动的过程中采集测试信号解调得到陀螺谐振结构在每个振型角位置的谐振频率，并根据上述方法得到陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置。修调系统与所述速率积分测控系统、陀螺谐振结构电连接，用于接收速率积分测控系统所输出的陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置，并基于陀螺谐振结构的频率裂解与刚度轴位置对陀螺谐振结构进行刚度修调和/或质量修调。

[0057] 参考图6为速率积分测控系统的工作原理示意图，速率积分测控系统中的解调低通滤波模块先对陀螺谐振结构的检测信号x和y进行解调得到cx、sx、cy、sy四个同相和正交分量，经过控制变量计算模块计算之后便可得到E、Q、R、S、Li五个控制变量，其表达式为：

[0058]  （3）

[0059] 其中，控制变量E、Q、Li分别用于幅值控制回路、正交控制回路以及锁相环控制回路，陀螺谐振结构的角度输出 便可根据 得到。以上控制变量经过PID控制器后会输出控制力，其中控制力fas作用在能量控制回路，用于维持控制变量E的恒定，从而保持恒定幅值振动状态；控制力fac可以作用于相位控制回路，在速率积分模式下fac为零。控制力fqc施加在正交控制回路，用于控制正交量Q，始终将正交量抑制为零；控制力fqs可以作用于振型角控制回路，在速率积分模式下可以实现振型的自进动。

[0060] 本发明中的谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台首次提出基于速率积分测控系统对陀螺谐振结构频率裂解进行精密修调的方法，创新性地利用陀螺振型自进动实现了对频率裂解 和刚度轴的位置 的精准辨识。相比传统的扫频法耗时长、无法辨识刚度轴位置的缺点，本发明提出的方法通过自进动可实现对刚度轴位置以及频率裂解的快速精确辨识，从而显著提升修调效率，并且避免了环境温度变化引起的频率漂移对频率裂解测量的影响。此外，在速率积分测控系统下陀螺的频率裂解的测量分辨率要远远优于传统扫频法，可实现对陀螺谐振结构频率裂解的精密修调。

[0061] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。