丁巖松張 偉

（1.中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，中國(guó) 北京100072；

2.北京信息科技大學(xué)傳感技術(shù)研究中心，中國(guó) 北京100101）

載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)解調(diào)算法研究

丁巖松1張 偉2

（1.中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，中國(guó) 北京100072；

2.北京信息科技大學(xué)傳感技術(shù)研究中心，中國(guó) 北京100101）

微機(jī)械擺和旋轉(zhuǎn)體共同構(gòu)成載體驅(qū)動(dòng)陀螺，使陀螺擴(kuò)展為不同用途的載體驅(qū)動(dòng)和自身驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩類。載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺巧妙地利用旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。安裝在旋轉(zhuǎn)體上的微機(jī)械擺具有陀螺效應(yīng)，它和旋轉(zhuǎn)體構(gòu)成載體驅(qū)動(dòng)陀螺，能同時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體的偏航/俯仰和自旋角速度，完成三只傳統(tǒng)陀螺的功能。但目前，其輸出信號(hào)的解調(diào)算法是一個(gè)沒有攻克的難點(diǎn)。針對(duì)檢測(cè)和控制旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)的技術(shù)要求，研究載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)的解調(diào)算法，解算出偏航/俯仰和自旋角速度，用于單通道和三通道旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)控制。

載體驅(qū)動(dòng)；微機(jī)械陀螺；解調(diào)算法

0 引言

近幾年，高速旋轉(zhuǎn)體得到了廣泛地應(yīng)用。阻礙其發(fā)展的瓶頸是敏感高速旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)（自旋、偏航/俯仰角速度，以及偏航、俯仰角度）的傳感器技術(shù)，這是涉及旋轉(zhuǎn)體實(shí)用化的核心技術(shù)。開發(fā)各種旋轉(zhuǎn)體離不開敏感姿態(tài)（角速度、角度）的陀螺，傳統(tǒng)陀螺僅適用于非旋轉(zhuǎn)體。鑒于缺少適合旋轉(zhuǎn)體的陀螺，人們不得不將非旋轉(zhuǎn)體用的陀螺用于旋轉(zhuǎn)體。實(shí)驗(yàn)表明，非旋轉(zhuǎn)體用的陀螺，雖然加反旋器在低轉(zhuǎn)速情況下亦可用，但性能指標(biāo)達(dá)不到要求，且使用成本極高。由于安裝在旋轉(zhuǎn)體上的微機(jī)械擺具有陀螺效應(yīng)。理論論證表明，微機(jī)械擺和旋轉(zhuǎn)體共同構(gòu)成的慣性系統(tǒng)，實(shí)際上就是載體驅(qū)動(dòng)陀螺，它能檢測(cè)和控制旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)[1]。因此，針對(duì)檢測(cè)和控制旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)的技術(shù)要求，開展載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)用技術(shù)研究，完善這一新的學(xué)科分支具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研制的微機(jī)械陀螺幾乎都是有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的。對(duì)于有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺，人們習(xí)慣于用三個(gè)互相垂直安裝的角速度陀螺，通過(guò)信號(hào)處理，將信號(hào)用于控制系統(tǒng)，這是較成熟的技術(shù)。研制無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（即載體驅(qū)動(dòng)）的微機(jī)械陀螺的國(guó)家，國(guó)外僅有俄羅斯，但技術(shù)對(duì)我國(guó)嚴(yán)格封鎖。對(duì)于載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺，首先要通過(guò)直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)變換，由陀螺輸出信號(hào)分離出偏航/俯仰角速度和自旋角速度信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，并用于控制系統(tǒng)。而輸出信號(hào)解調(diào)算法是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺概述

陀螺可分為機(jī)電陀螺和光學(xué)陀螺兩類。隨著慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，多種機(jī)電陀螺和光學(xué)陀螺相繼研制成功并投入應(yīng)用，其中發(fā)展最快的是光纖陀螺和微機(jī)械陀螺[2]，如圖1所示。

圖1 陀螺分類

上世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的硅微機(jī)械陀螺相應(yīng)產(chǎn)生。但大部分微機(jī)械陀螺都必須是在受驅(qū)動(dòng)后建立起初始振動(dòng)才能敏感載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，故這種陀螺設(shè)計(jì)和制作難度大。為了避免上述困難，提出利用旋轉(zhuǎn)載體自身的旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產(chǎn)生的哥氏力來(lái)敏感載體的俯仰或偏航角速度。這種陀螺由于沒有驅(qū)動(dòng)部分，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工。

2 基于微機(jī)械陀螺的輸出信號(hào)解調(diào)

2.1 解調(diào)算法

微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)是含有橫滾、偏航和俯仰三個(gè)角速度信息的調(diào)制信號(hào)。如何從復(fù)雜信號(hào)中將此三個(gè)角速度提取出來(lái)，為旋轉(zhuǎn)飛行載體多通道控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)成為微機(jī)械陀螺應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

對(duì)微機(jī)械陀螺信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到旋轉(zhuǎn)飛行載體的滾動(dòng)角速度，或者利用加速度計(jì)信號(hào)求取滾動(dòng)角速度；輸出信號(hào)的包絡(luò)的幅值可以求取俯仰和偏航的合角速度，而俯仰和偏航的夾角恰好等于微機(jī)械陀螺信號(hào)和加速度計(jì)信號(hào)的相位差[3]。圖2為載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺信號(hào)處理電路。

圖2 載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺信號(hào)處理電路

根據(jù)圖2所示的信號(hào)處理電路，得到載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺的輸出信號(hào)，如圖3所示。

圖3 載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出波形

微機(jī)械陀螺信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路以后，仍會(huì)有很大的噪聲。因此，在進(jìn)行信號(hào)解調(diào)之前，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑濾波。常見的濾波算法如：小波濾波算法、IIR濾波算法、FIR濾波算法、自適應(yīng)濾波算法、卡爾曼濾波算法、零相移濾波算法等[4]。通過(guò)各種濾波算法濾波前后信噪比的比較，部分算法濾波后相位發(fā)生偏移或者誤差較大。其中，零相移濾波算法沒有這兩個(gè)弊端，在微機(jī)械陀螺信號(hào)濾波中常被采用。

輸出信號(hào)經(jīng)圖4所示解調(diào)算法處理，可獲得地理坐標(biāo)系下用于旋轉(zhuǎn)體三通道姿態(tài)控制的偏航/俯仰、自旋角速度和角位置信號(hào)。其中，e（t）為幅值，θ（t）為角度，f（t）為頻率。

圖4 載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)用于旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)控制的解調(diào)算法流程

3 結(jié)束語(yǔ)

載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺是一個(gè)新的學(xué)科分支，有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)解調(diào)這一難點(diǎn)問(wèn)題，基于對(duì)信號(hào)處理電路和輸出波形的分析，給出了可供參考的算法流程。

［1］吳立鋒,嚴(yán)慶文.高速旋轉(zhuǎn)飛行體姿態(tài)傳感器信號(hào)解調(diào)方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2010(6)：28-31.

［2］張富強(qiáng),嚴(yán)慶文.無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺的原理分析和性能測(cè)試[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009：16-24.

［3］方靖,商捷,顧啟泰.微機(jī)械陀螺隨機(jī)誤差建模的實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2008,21(9)：1514-1518.

［4］柳貴福.微機(jī)械陀螺輸入輸出特性建模及補(bǔ)償技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué), 2002,3(9)：45-56.

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