基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法技术

本发明专利技术涉及半球谐振陀螺，尤其涉及一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，包括如下步骤：将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行乘法解调，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分，所述信号滤波使用IIR滤波器。本方法采用IIR滤波器，具有阶数小，延迟小的特点，基于IIR滤除解调带来的二倍频信号，可以降低信号的延迟，提高陀螺振动位移参数解算的精度。与传统的基于FIR滤波算法相比，在取得相同精度及噪声水平的同时，其延时降低10倍，FPGA内部硬件资源消耗降低10倍左右。低10倍左右。低10倍左右。

Detection method of sine wave amplitude and phase of hemispherical resonator gyro based on IIR filtering

【技术实现步骤摘要】
基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法


[0001]本专利技术涉及半球谐振陀螺，尤其涉及一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺是基于哥氏效应敏感外界角速度。相比传统机械陀螺，它结构简单，核心工作部件只有石英谐振子和电极基座，并且依靠微幅振动工作，无机械磨损，使其具有造价低、可靠性高、寿命长的特点。中国虽然是为数不多的能完全自主生产半球谐振陀螺的国家之一，但所生产的陀螺在性能、一致性等方面与美国、法国、俄罗斯等相比还存在差距，为了缩小国产陀螺与世界领先水平的差距，一方面要对陀螺和谐振子制造、加工工艺进行突破，另一方面则要对陀螺控制中伺服电路检测精度和检测速度提出更高的要求。
[0003]数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一个离散时间系统或算法单元，通过对数字代码进行运算处理改变信号频谱，广泛应用的有IIR（InfiniteImpulseResponse，无限脉冲响应）和FIR(FiniteImpulseResponse，有限脉冲响应）数字滤波器两种。IIR数字滤波器幅频特性精度很高；而FIR滤波器具有线性相位延迟。如何通过数字滤波得到幅频特性精度高，且线性相位无延迟的正弦波幅度相位是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种通过数字滤波得到幅频特性精度高，且线性相位无延迟的基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案予以实现：一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，包括如下步骤：将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行乘法解调，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分，所述信号滤波使用IIR滤波器。
[0006]优先的，将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号的方法为：将半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为二维摆，在恒定的外角速率下，其重心轨迹呈椭圆型，其中a为椭圆半长轴，主波振幅、q为椭圆半短轴，正交波振幅、θ为半长轴转角，驻波进动角、为振子轨道相位，为了获得谐振子运动状态，在x、y方向上分别设置谐振子检测电极，并采用锁相环作为外部参考信号发生器以跟踪谐振子的运动。谐振子在x、y方向上运动方程为：(1)其中，为谐振子固有频率；为振动初始相位，为x电极上正弦波幅值，为y
电极上正弦波幅值，为x电极上正弦波相位，为x电极上正弦波相位；通过对不同电极上正弦波幅度相位检测得到半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹。
[0007]优先的，对数字信号进行乘法解调方法为相敏解调法，采用陀螺振动信号公式（1）与参考信号和相乘，进行电极信号的解调，(2)(3)(4)(5)谐振子振型与参考信号的同相部分和正交部分分别在x、y上的分量为：、、、。
[0008]优先的，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分方法为：根据公式(2)(3)(4)(5),通过滤波滤掉二倍频信号后得到。
[0009](6)(7)(8)(9)优先的，两个电极输出的正弦波的幅值和相位根据(10)(11)(12)(13)获得。
[0010](10)(11)(12)(13)优先的，所述IIR滤波器为级联型IIR滤波器，其传递函数（14）其中代表滤波器的阶数。表示在第阶的后向系数，表示在第阶的前向系
数。
[0011]优先的，所述IIR滤波器为IIR型低通滤波器，方法采用椭圆滤波器，采样频率设置为125KHz，通带频率设为50Hz，阶数选为2阶，通带增益为1，阻带增益
‑
80dB，系数采用64位定点数，小数部分用40位表示。
[0012]优先的，所述IIR滤波器的FPGA实现方法：根据公式(14)和设计参数，得到传递函数形式为（15）对于二阶IIR，使用直接I型结构加以实现，将传递函数表示为差分方程:（16）其中表示当前输出，表示上一时刻输出，表示上2个时刻输出，表示当前输入，表示上一时刻输入，表示上2个时刻输入。
[0013]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过相敏解调法其算法原理较为传统，一般通过滤波器滤除二倍频项或者通过频谱分析法估计其直流分量。采用FIR滤波器去除二倍频相，为保证滤波效果，滤波器阶数普遍在100阶以上，因此，有效信息输出延时较大；所以本方法采用IIR滤波器，具有阶数小，延迟小的特点，基于IIR滤除解调带来的二倍频信号，可以降低信号的延迟，提高陀螺振动位移参数解算的精度。与传统的基于FIR滤波算法相比，在取得相同精度及噪声水平的同时，其延时降低10倍，FPGA内部硬件资源消耗降低10倍左右。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的谐振运动轨迹模型示意图。
[0015]图2是本专利技术的谐振陀螺信号处理流程示意图。
[0016]图3是本专利技术的IIR滤波器参数设置示意图。
[0017]图4是本专利技术的IIR滤波器实现结构示意图。
具体实施方式
[0018]为了使本
的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0019]本专利技术基于半球谐振陀螺的工作原理，在FPGA内部采用IIR滤波算法，获取陀螺振动位移信号信息。
[0020]本专利技术的技术解决方案：基于半球谐振陀螺IIR滤波方法，实现陀螺信号的提取。实现方式如下：将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行乘法解调，通过滤波器滤除二倍频的信号成分。其中，信号滤波环节使用IIR滤波器。
[0021]本专利技术的优点和积极效果是：
本专利技术基于IIR滤除解调带来的二倍频信号，可以降低信号的延迟，提高陀螺振动位移参数解算的精度。与传统的基于FIR滤波算法相比，在取得相同精度及噪声水平的同时，其延时降低10倍，FPGA内部硬件资源消耗降低10倍左右。
[0022]本专利技术包括以下步骤：1.获得陀螺电极原始信号：半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为一个二维摆。在恒定的外角速率下，其重心轨迹呈椭圆型，如图1所示，其中a为椭圆半长轴（主波振幅）、q为椭圆半短轴（正交波振幅）、θ为半长轴转角（驻波进动角）、为振子轨道相位。
[0023]为了获得谐振子运动状态，在x、y方向上分别设置谐振子检测电极，并采用锁相环作为外部参考信号发生器以跟踪谐振子的运动。谐振子在x、y方向上运动方程为(1)其中，为谐振子固有频率；为振动初始相位，为x电极上正弦波幅值，为y电极上正弦波幅值，为x电极上正弦波相位，为x电极上正弦波相位；通过对不同电极上正弦波幅度相位检测得到半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹。
[0024]2.电极信号的解调：相敏解调法通常采用陀螺振动信号与参考信号和相乘。进行电极信号的解调，处理过程如图2所示。如公式(2)(3)(4)(5)(2)(3)(4)(5)谐振子振型与参考信号的同相部分和正交部分分别在x、y上的分量为：、、、。可用于陀螺的闭环控制和进动角度的检测。
[0025]3.信号的幅值与相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，其特征在于，包括如下步骤：将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行乘法解调，通过信号滤波器滤除二倍频的信号成分，所述信号滤波使用IIR滤波器。2.根据权利要求1所述基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，其特征在于，将陀螺输出的模拟信号转换为数字信号的方法为：将半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为二维摆，在恒定的外角速率下，其重心轨迹呈椭圆型，其中a为椭圆半长轴，主波振幅、q为椭圆半短轴，正交波振幅、θ为半长轴转角，驻波进动角、为振子轨道相位，为了获得谐振子运动状态，在x、y方向上分别设置谐振子检测电极，并采用锁相环作为外部参考信号发生器以跟踪谐振子的运动，谐振子在x、y方向上运动方程为：(1)其中，为谐振子固有频率；为振动初始相位，为x电极上正弦波幅值，为y电极上正弦波幅值，为x电极上正弦波相位，为x电极上正弦波相位；通过对不同电极上正弦波幅度相位检测得到半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹。3.根据权利要求2所述基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，其特征在于，对数字信号进行乘法解调方法为相敏解调法，采用陀螺振动信号公式（1）与参考信号和相乘，进行电极信号的解调，(2)(3)(4)(5)谐振子振型与参考信号的同相部分和正交部分分别在x、y上的分量为：、、、。4.根据权利要求3所述基于IIR滤波的半球谐振陀螺正弦波幅度相位检测方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文超，贾廷悦，王强，陈刚，张海峰，贾晨凯，杨松普，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：