载体驱动微机械陀螺输出信号解调算法研究

丁岩松1张伟2

（1.中国人民解放军装甲兵工程学院控制工程系，中国 北京 100072；

2.北京信息科技大学传感技术研究中心，中国 北京 100101）

【摘要】微机械摆和旋转体共同构成载体驱动陀螺，使陀螺扩展为不同用途的载体驱动和自身驱动结构两类。载体驱动微机械陀螺巧妙地利用旋转体滚动作为驱动力来源，结构简单、成本低。安装在旋转体上的微机械摆具有陀螺效应，它和旋转体构成载体驱动陀螺，能同时检测旋转体的偏航/俯仰和自旋角速度，完成三只传统陀螺的功能。但目前，其输出信号的解调算法是一个没有攻克的难点。针对检测和控制旋转体姿态的技术要求，研究载体驱动微机械陀螺输出信号的解调算法，解算出偏航/俯仰和自旋角速度，用于单通道和三通道旋转体姿态控制。

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关键词 载体驱动；微机械陀螺；解调算法

0引言

近几年，高速旋转体得到了广泛地应用。阻碍其发展的瓶颈是敏感高速旋转体姿态（自旋、偏航/俯仰角速度，以及偏航、俯仰角度）的传感器技术，这是涉及旋转体实用化的核心技术。开发各种旋转体离不开敏感姿态（角速度、角度）的陀螺，传统陀螺仅适用于非旋转体。鉴于缺少适合旋转体的陀螺，人们不得不将非旋转体用的陀螺用于旋转体。实验表明，非旋转体用的陀螺，虽然加反旋器在低转速情况下亦可用，但性能指标达不到要求，且使用成本极高。由于安装在旋转体上的微机械摆具有陀螺效应。理论论证表明，微机械摆和旋转体共同构成的惯性系统，实际上就是载体驱动陀螺，它能检测和控制旋转体的姿态[1]。因此，针对检测和控制旋转体姿态的技术要求，开展载体驱动微机械陀螺的结构、工艺和应用技术研究，完善这一新的学科分支具有重要的科学意义和实用价值。

当前，国内外研制的微机械陀螺几乎都是有驱动结构的。对于有驱动结构陀螺，人们习惯于用三个互相垂直安装的角速度陀螺，通过信号处理，将信号用于控制系统，这是较成熟的技术。研制无驱动结构（即载体驱动）的微机械陀螺的国家，国外仅有俄罗斯，但技术对我国严格封锁。对于载体驱动微机械陀螺，首先要通过直角坐标或极坐标变换，由陀螺输出信号分离出偏航/俯仰角速度和自旋角速度信号，然后进行信号解调，并用于控制系统。而输出信号解调算法是一个重点和难点。

1载体驱动微机械陀螺概述

陀螺可分为机电陀螺和光学陀螺两类。随着惯性导航和惯性制导技术的不断发展，多种机电陀螺和光学陀螺相继研制成功并投入应用，其中发展最快的是光纤陀螺和微机械陀螺[2]，如图1所示。

上世纪90年代，随着微电子技术的发展，各种各样的硅微机械陀螺相应产生。但大部分微机械陀螺都必须是在受驱动后建立起初始振动才能敏感载体的转动角速度，故这种陀螺设计和制作难度大。为了避免上述困难，提出利用旋转载体自身的旋转作为驱动，通过垂直于载体自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度产生的哥氏力来敏感载体的俯仰或偏航角速度。这种陀螺由于没有驱动部分，故结构简单，易加工。

2基于微机械陀螺的输出信号解调

２.1解调算法

微机械陀螺输出信号是含有横滚、偏航和俯仰三个角速度信息的调制信号。如何从复杂信号中将此三个角速度提取出来，为旋转飞行载体多通道控制系统提供控制依据成为微机械陀螺应用的关键技术问题。

对微机械陀螺信号进行频谱分析，可以得到旋转飞行载体的滚动角速度，或者利用加速度计信号求取滚动角速度；输出信号的包络的幅值可以求取俯仰和偏航的合角速度，而俯仰和偏航的夹角恰好等于微机械陀螺信号和加速度计信号的相位差[3]。图2为载体驱动微机械陀螺信号处理电路。

根据图2所示的信号处理电路，得到载体驱动微机械陀螺的输出信号，如图3所示。

微机械陀螺信号经过预处理电路以后，仍会有很大的噪声。因此，在进行信号解调之前，要对信号进行平滑滤波。常见的滤波算法如：小波滤波算法、IIR滤波算法、FIR滤波算法、自适应滤波算法、卡尔曼滤波算法、零相移滤波算法等[4]。通过各种滤波算法滤波前后信噪比的比较，部分算法滤波后相位发生偏移或者误差较大。其中，零相移滤波算法没有这两个弊端，在微机械陀螺信号滤波中常被采用。

输出信号经图4所示解调算法处理，可获得地理坐标系下用于旋转体三通道姿态控制的偏航/俯仰、自旋角速度和角位置信号。其中，e（t）为幅值，?兹（t）为角度，f（t）为频率。

图4载体驱动微机械陀螺输出信号用于旋转体姿态控制的解调算法流程

3结束语

载体驱动微机械陀螺是一个新的学科分支，有重要的科学意义和应用价值。针对载体驱动微机械陀螺输出信号解调这一难点问题，基于对信号处理电路和输出波形的分析，给出了可供参考的算法流程。

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参考文献

［１］吴立锋,严庆文.高速旋转飞行体姿态传感器信号解调方法[J].传感器与微系统,2010(6):28-31.

［２］张富强,严庆文.无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试[J].仪表技术与传感器,2009:16-24.

［３］方靖,商捷,顾启泰.微机械陀螺随机误差建模的实验研究[J].传感技术学报,2008,21(9):1514-1518.

［４］柳贵福.微机械陀螺输入输出特性建模及补偿技术研究[D].哈尔滨工程大学,2002,3(9):45-56.

［责任编辑：邓丽丽］