[发明专利]一种悬浮类陀螺仪的转子偏转调制误差补偿方法

说明书

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪的转子偏转调制误差补偿方法。利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；通过对解调信号进行积分滤波消减陀螺轴向自由度的漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的实时高精度检测。本发明属于测量与控制技术领域，可应用于悬浮类陀螺的优化设计以及高精度姿态角速率测量。

技术领域

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪的转子偏转调制误差补偿方法，适用于悬浮类陀螺仪的高精度角速率测量和优化设计。

技术背景

陀螺仪是构成惯导系统的核心元件，被广泛应用于测量运载体的姿态角和角速率。悬浮类陀螺仪是通过悬浮的陀螺转子敏感壳体相对于惯性空间角运动装置的统称，包括磁悬浮陀螺、静电陀螺、气浮陀螺和液浮陀螺等。通过对陀螺转子的悬浮支承，有效克服了传统机械摩擦带来的干扰力矩，从而有效提高了陀螺仪的量测精度。

陀螺漂移是衡量陀螺仪精度的主要指标，如何有效抑制陀螺漂移，一直是学术界和技术界研究的重点和热点问题。孟士超在文献《静电陀螺仪随动系统误差的补偿》中提出一种框架随动系统误差补偿方法，将壳体旋转轴绕转子轴的锥运动添加到其旋转中，通过仿真实现了对静电陀螺仪双重自补偿，但这是在不考虑壳体振荡的前提下进行的。程耀强在《斜装液浮陀螺一次项漂移系数系统级分离算法》中提出一种利用惯性测量单元标定参数解算液浮陀螺一次项漂移系数的系统级分离算法，减少了误差累积，但是没有对二、三、四次误差项进行准确估计，适用范围有限。秦东黎在《一种球形气浮气动陀螺仪的设计方法及误差分析研究》中提出一种适用于小型气浮转子的气体反作用力驱动方式，避免了电磁干扰，有利于抑制陀螺漂移，但是没有考虑对外力引起的转速误差进行补偿。

旋转调制误差补偿是一种消减陀螺漂移的有效方法，其一经提出便得到了广泛应用。但传统旋转调制都是针对惯性测量单元，即是系统级的，这样必然引入较大的转台，不可避免地增加了系统的体积、功耗和重量，从而制约了系统的使用范围。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对系统级旋转调制方法所需设备体积大、重量大和功耗大的问题，提出一种基于悬浮转子偏转的偏转调制误差补偿新方法，抑制陀螺漂移误差，为实现悬浮类陀螺的高精度姿态角速率测量提供了一种全新的技术途径。

本发明的技术解决方案是：利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测，具体包括以下步骤：

1、偏转调制

转子偏转时，转子轴承力f(e,h)可表示为：

其中，e为检测到的轴承电信号，h为悬浮转子位移量，K为标度因子常值矩阵，H为转子角动量矢量的模，为陀螺房相对惯性空间运动的角速率，θ为偏转面投影线与陀螺房坐标系X-Y-Z中X轴的夹角，η(t)为角动量矢量的偏转角度，为陀螺所敏感到的真实悬浮力矩，为陀螺所敏感到的因陀螺漂移产生的常值干扰力矩，是分别在陀螺房坐标系X-Y-Z中X、Y和Z轴上投影的分量。

2、偏转解调

由于转子偏转使得转子角动量矢量方向发生改变，使得敏感轴X和Y的调制信号中包含了Z轴分量；为了消除这种影响，对上式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，可得：

(3)积分滤波

对(2)式在积分周期进行积分滤波，即可解算出陀螺房相对惯性空间角速率