本發(fā)明涉及半球諧振陀螺，尤其涉及一種半球諧振陀螺的駐波角度校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、半球諧振陀螺（hrg）是一種高精度角速度傳感器，廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)航和慣性測(cè)量等領(lǐng)域。hrg的工作原理基于諧振子產(chǎn)生的駐波模式，其準(zhǔn)確性直接影響到角速度測(cè)量的精度。在力平衡模式下，系統(tǒng)通過(guò)反饋控制維持駐波模式的穩(wěn)定。然而，現(xiàn)有的hrg在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能出現(xiàn)由于環(huán)境變化、器件老化、外部擾動(dòng)、溫度和環(huán)境等因素導(dǎo)致半球諧振陀螺的駐波模式漂移、信號(hào)噪聲增加和系統(tǒng)參數(shù)變化等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度下降。因此，研究和開(kāi)發(fā)有效的駐波角度校準(zhǔn)方法顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的半球諧振陀螺在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能會(huì)是駐波模式漂移、信號(hào)噪聲增加和系統(tǒng)參數(shù)變化等問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，目的在于提供一種半球諧振陀螺的駐波角度校準(zhǔn)方法，通過(guò)設(shè)置傳感器提高半球諧振陀螺的測(cè)量精度，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種半球諧振陀螺的駐波角度校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

4、s1、系統(tǒng)準(zhǔn)備；

5、s2、初始狀態(tài)測(cè)量；

6、s3、激勵(lì)與響應(yīng)分析；

7、s4、信號(hào)處理與駐波檢測(cè)；

8、s5、校準(zhǔn)調(diào)整；

9、s6、校準(zhǔn)驗(yàn)證；

10、s7、記錄與保存；

11、其中，還包括半球諧振陀螺本體，所述半球諧振陀螺本體包括激勵(lì)罩、諧振子、基座和控制單元，所述諧振子套設(shè)在所述激勵(lì)罩的內(nèi)部，所述諧振子通過(guò)支撐桿分別與所述激勵(lì)罩和所述基座連接，所述諧振子的外側(cè)等距環(huán)繞設(shè)置有若干超聲波傳感器，所述基座上設(shè)置有支架，所述超聲波傳感器設(shè)置在支架上，所述超聲波傳感器與所述諧振子之間存在間隙。

12、上述技術(shù)方案中，選擇適合的超聲波傳感器，并安裝在諧振子外側(cè)的支架上，確保傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到振動(dòng)模式而不干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保超聲波傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電氣連接穩(wěn)定，傳感器設(shè)置正確，獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)諧振子產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)不斷進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，直至消除誤差。

13、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s1包括：

14、s11、安裝超聲波傳感器，沿諧振子周側(cè)將超聲波傳感器安裝在基座的支架上；

15、s12、組裝半球諧振陀螺本體，通過(guò)諧振子的支撐桿將所述激勵(lì)罩和基座連接固定；

16、s13、啟動(dòng)半球諧振陀螺本體，設(shè)置超聲波傳感器的工作參數(shù)；

17、s14、初步校準(zhǔn)，使用已知的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)源或參考信號(hào)，對(duì)超聲波傳感器傳感器和系統(tǒng)進(jìn)行初步校準(zhǔn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度和響應(yīng)特性。

18、上述技術(shù)方案中，為校準(zhǔn)過(guò)程奠定基礎(chǔ)，確保所有設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)置處于最佳狀態(tài)，減少測(cè)量誤差和干擾。

19、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s2包括：

20、s21、激勵(lì)諧振子，啟動(dòng)半球諧振陀螺本體的激勵(lì)系統(tǒng)，穩(wěn)定頻率激勵(lì)諧振子，使其在表面產(chǎn)生穩(wěn)定的駐波，待諧振子的振動(dòng)模式達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)成型；

21、s22、超聲波傳感器測(cè)量，所述s22還包括s221和s222；

22、s221、信號(hào)采集，使用超聲波傳感器測(cè)量諧振子表面的駐波，令超聲波傳感器捕捉到諧振子的表面振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括振幅、頻率和駐波的空間分布；

23、s222、多點(diǎn)測(cè)量，若干個(gè)超聲波傳感器同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，獲取完整的駐波模式圖像；

24、s23、數(shù)據(jù)記錄與處理，將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)；

25、s24、基準(zhǔn)模式確定，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，確定當(dāng)前激勵(lì)條件下的駐波模式，并將該模式作為基準(zhǔn)模式繼續(xù)記錄；

26、s25、穩(wěn)定性驗(yàn)證，多次重復(fù)初始狀態(tài)測(cè)量，并達(dá)到在測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有外部干擾或內(nèi)部問(wèn)題影響結(jié)果。

27、上述技術(shù)方案中，獲取系統(tǒng)在無(wú)外部激勵(lì)情況下的駐波模式基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，作為后續(xù)校準(zhǔn)和調(diào)整的參照，記錄系統(tǒng)在自然狀態(tài)下的振動(dòng)特性，確定諧振子的固有駐波模式，并提取駐波模式的主要特征。

28、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s3包括：

29、s31、激勵(lì)條件設(shè)定，根據(jù)諧振子的固有頻率，調(diào)整激勵(lì)系統(tǒng)的頻率，探索不同振動(dòng)模式的響應(yīng)，控制激勵(lì)電壓或電流的幅度，保持在線性響應(yīng)范圍內(nèi)，避免非線性效應(yīng)的干擾；

30、s32、響應(yīng)測(cè)量，所述s32還包括s321和s322；

31、s321、超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集，超聲波傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)諧振子的表面振動(dòng)響應(yīng)，記錄振幅、相位和頻率特性，著重測(cè)量駐波模式的變化，包括節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)的位置以及振幅的變化；

32、s322、頻率響應(yīng)曲線：繪制諧振子的頻率響應(yīng)曲線，顯示振幅或相位隨激勵(lì)頻率變化的情況；

33、s33、數(shù)據(jù)分析與建模，通過(guò)頻率響應(yīng)曲線，確認(rèn)諧振子的共振頻率，以及駐波模式的穩(wěn)定性，利用測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算諧振子的有效質(zhì)量和阻尼比,計(jì)算諧振子的品質(zhì)因數(shù)；

34、諧振子共振頻率：

35、，

36、阻尼比：

37、，

38、品質(zhì)因數(shù)：

39、，

40、其中， f0表示自由振動(dòng)頻率，即共振頻率， m表示諧振子的有效質(zhì)量， k表示等效剛度，通過(guò)分析諧振子的結(jié)構(gòu)和材料，計(jì)算出等效剛度， γ表示諧振子的阻尼比， c表示阻尼系數(shù)，根據(jù)s3的激勵(lì)條件得出阻尼系數(shù)， q表示諧振子的品質(zhì)因數(shù)；

41、s34、駐波角度分析，通過(guò)分析諧振子的振動(dòng)模式，確定駐波的角度分布，根據(jù)駐波角度的變化，校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量精度；

42、s35、校正調(diào)整，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，包括激勵(lì)條件和超聲波傳感器設(shè)置，優(yōu)化駐波角度的測(cè)量精度，調(diào)整后，再次進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證，使調(diào)整后的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確測(cè)量駐波角度。

43、上述技術(shù)方案中，通過(guò)施加外部激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)系統(tǒng)的共振模式，分析系統(tǒng)的響應(yīng)特性，確定駐波模式的特征，施加控制信號(hào)到諧振子，逐步調(diào)整激勵(lì)的頻率和幅度，找到系統(tǒng)的共振頻率和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式，并使用超聲波傳感器記錄激勵(lì)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，確定駐波的頻率、幅值和相位信息。

44、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s4包括：

45、s41、信號(hào)濾波，從超聲波傳感器采集到的信號(hào)中使用濾波消除噪聲的頻率成分，保留與駐波相關(guān)的主要頻段，應(yīng)用信號(hào)平滑算法減少信號(hào)的瞬時(shí)波動(dòng)，令波形更易于分析；

46、s42、駐波特征提取，通過(guò)快速傅里葉變換分析技術(shù)，提取信號(hào)中的主要頻率成分，確定駐波的共振頻率及其諧波成分，分析信號(hào)的相位和振幅變化，識(shí)別駐波的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)；

47、s43、駐波模式識(shí)別，將提取的信號(hào)特征與預(yù)設(shè)的駐波模式進(jìn)行匹配，確認(rèn)當(dāng)前振動(dòng)模式，基于節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)的位置，計(jì)算駐波的角度；

48、s44、數(shù)據(jù)融合與驗(yàn)證，將若干超聲波傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提升信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和分辨率，通過(guò)與已知的標(biāo)定數(shù)據(jù)或理論模型對(duì)比，驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；

49、s45、將計(jì)算出的駐波角度信息輸出至控制系統(tǒng)或顯示界面，將所有處理后的數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)，用于后續(xù)分析和系統(tǒng)維護(hù)。

50、上述技術(shù)方案中，處理和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，提取駐波模式的具體特征，尤其是駐波的角度位置，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平滑處理，去除噪聲和無(wú)關(guān)頻率成分，確保信號(hào)的清晰度和準(zhǔn)確性。

51、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s41中的濾波公式為：

52、，

53、其中， f是信號(hào)頻率， fc是濾波器的中心頻率， n是濾波器的階數(shù)；

54、所述s42中通過(guò)快速傅里葉變換公式為：

55、，

56、相位角計(jì)算公式為：

57、，

58、其中， φ(f)表示頻率 f處的相位角， x(f)表示頻域信號(hào)， x(t)是時(shí)域信號(hào)；

59、所述s43通過(guò)球諧函數(shù)實(shí)現(xiàn)駐波模式識(shí)別：

60、，

61、其中， θ表示極角，即從球的北極向下測(cè)量的角度， φ表示方位角，即在球面上圍繞極軸的角度， a 0表示振幅， n和 m是模式數(shù)；

62、所述s43通過(guò)加權(quán)平均法來(lái)融合若干超聲波傳感器的數(shù)據(jù)：

63、，

64、其中， θ i表示第 i個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)的駐波角度， ωi表示相應(yīng)的權(quán)重， n表示超聲波傳感器的數(shù)量，表示所有超聲波傳感器所測(cè)駐波角度的加權(quán)平均值。

65、上述技術(shù)方案中，分析處理后的信號(hào)，識(shí)別駐波的節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)，計(jì)算駐波的角度位置 θ和 φ，確定駐波模式的空間分布。

66、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s5包括；

67、s51、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，所述s51還包括s511和s512；

68、s511、激勵(lì)頻率調(diào)整，根據(jù)所述s4的信號(hào)處理結(jié)果，調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的頻率：

69、，

70、s512、阻尼調(diào)整，調(diào)整系統(tǒng)的阻尼特性優(yōu)化駐波模式的清晰度；

71、，

72、其中， ζ表示阻尼比。

73、上述技術(shù)方案中，根據(jù)駐波檢測(cè)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化系統(tǒng)的駐波模式，調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅度，確保諧振子保持在理想的駐波模式。

74、在一些可選的技術(shù)方案中，所述基座上還設(shè)置有三維坐標(biāo)調(diào)整傳感器，所述三維坐標(biāo)調(diào)整傳感器與所述超聲波傳感器連接；

75、所述s5還包括：

76、s52、根據(jù)s51的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過(guò)三維坐標(biāo)調(diào)整傳感器微調(diào)超聲波傳感器的位置獲取最佳的信號(hào)質(zhì)量：

77、 new?position=old?position+?position，

78、其中， ?position表示傳感器位置的調(diào)整量， old?position表示在進(jìn)行位置調(diào)整之前，三維坐標(biāo)表示方式為(x0,y0,z0)，超聲波傳感器的原始位置， new?position表示在調(diào)整之后，超聲波傳感器的新位置,?三維坐標(biāo)表示方式為(x1,y1,z1)。

79、上述技術(shù)方案中，如果檢測(cè)到測(cè)量誤差或信號(hào)弱，微調(diào)超聲波傳感器的位置和方向，獲得最佳測(cè)量效果。

80、在一些可選的技術(shù)方案中，述s6包括：

81、s61、數(shù)據(jù)采集與分析，根據(jù)所述步驟s5調(diào)整完成之后，再次采集數(shù)據(jù)驗(yàn)證調(diào)整的效果，令測(cè)得的駐波角度與理論值或預(yù)期值一致，并根據(jù)所述步驟s42提取的駐波特征計(jì)算最終的駐波角度，駐波角度的計(jì)算方式為：

82、，

83、其中， θ n表示信號(hào)中提取到的節(jié)點(diǎn)位置， θ n+1則表示信號(hào)中提取到的反節(jié)點(diǎn)位置，表示駐波角度；

84、s62、結(jié)果驗(yàn)證，將校準(zhǔn)后的駐波角度與理論值或標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，存在偏差時(shí)繼續(xù)重復(fù)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可通過(guò)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，最后記錄最終的校準(zhǔn)參數(shù)、測(cè)量結(jié)果和調(diào)整過(guò)程。

85、上述技術(shù)方案中，在調(diào)整后，重新測(cè)量系統(tǒng)的駐波模式，檢查調(diào)整效果，并驗(yàn)證調(diào)整后的系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期的校準(zhǔn)精度，并確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

86、在一些可選的技術(shù)方案中，所述s7包括：

87、s71、記錄校準(zhǔn)參數(shù)，包括激勵(lì)頻率、阻尼系數(shù)、超聲波傳感器的最終位置和設(shè)置參數(shù)；

88、s72、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，包括原始信號(hào)數(shù)據(jù)、濾波后的信號(hào)數(shù)據(jù)及駐波角度數(shù)據(jù)；

89、s73、記錄校準(zhǔn)結(jié)果，保存最終的校準(zhǔn)結(jié)果，包括每個(gè)駐波角度的測(cè)量結(jié)果、調(diào)整后的系統(tǒng)參數(shù)和驗(yàn)證結(jié)果，同時(shí)記錄與理論值或標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比結(jié)果；

90、s74、保存數(shù)據(jù)和文檔，將所有記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括校準(zhǔn)過(guò)程的所有步驟、調(diào)整和驗(yàn)證結(jié)果、使用的公式和計(jì)算方法。

91、上述技術(shù)方案中，保存原始數(shù)據(jù)、處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)和最終的校準(zhǔn)結(jié)果，確保數(shù)據(jù)完整性。

92、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

93、通過(guò)設(shè)置若干超聲波傳感器對(duì)半球諧振陀螺進(jìn)行精確的駐波角度校準(zhǔn)，可精確測(cè)量諧振子表面的微小振動(dòng)變化，提高了駐波角度測(cè)量的精度和系統(tǒng)的整體測(cè)量準(zhǔn)確性。同時(shí)，非接觸式測(cè)量方式避免了機(jī)械接觸可能帶來(lái)的干擾和磨損，保護(hù)了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確保其穩(wěn)定運(yùn)行，此外，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和調(diào)整能力使得系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)駐波模式的變化，進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，從而在不同環(huán)境和工況下保持最佳性能，多個(gè)超聲波傳感器的設(shè)置可進(jìn)行多次測(cè)量和校準(zhǔn)驗(yàn)證增強(qiáng)了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。