专利名称：无驱动结构微机械陀螺及其信号处理电路和方法
技术领域：
本发明涉及微机械陀螺技术领域，尤其涉及一种无驱动结构微机械陀螺及其信号处理电路和信号处理方法。
背景技术：
中国发明专利 ZL200410(^9089. 0,200410(^9228. X，200510134858. 8， 200510134859. 3,200710105849. 5 ；美国发明专利 US7, 805, 994B2 ；英国发明专利 GBM49955，都是利用旋转体的旋转作为驱动力的硅微机械陀螺。该陀螺采用重力加速度计为参考，提取陀螺所检测的旋转体的角速度和角度，利用两个信号的相位差确定旋转体的空间姿态，可以分别解出偏航角速度、俯仰角速度和滚动角速度。信号解调过程首先求出横向角速度大小(即陀螺输出信号的包络信号)，通常采用Hilbert变换方法或峰值点检测的方法来提取包络。这两种方法理论上可以使用1/4个载波周期的数据完成，但实际应用中通常需要使用1个载波周期以上的数据才能满足一定的精度要求，因此这些包络提取算法造成了系统至少1个载波周期的延时，并且包络提取精度较低，这在实际控制应用中存在很大的问题。另一方面，上述专利中通过检测重力加速度计输出信号的频率来检测滚动角速度，重力加速度计在系统中容易受动力学影响，输出信号稳定性较差，且不能实时进行， 对滚动角速度的解调精度和实时性造成了影响。

发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种无驱动结构硅微机械陀螺，能够实时测量旋转体的滚动角速度或横向角速度。本发明提供一种无驱动结构微机械陀螺，能够安装于旋转体，包括第一无驱动结构角速度敏感元件，第二无驱动结构角速度敏感元件，以及分别和第一无驱动结构角速度敏感元件和第二无驱动结构角速度敏感元件连接的信号处理电路；其中，第一无驱动结构角速度敏感元件和第二无驱动结构角速度敏感元件互相垂直安装。根据本发明的无驱动结构微机械陀螺的一个实施例，信号处理电路包括与第一无驱动结构角速度敏感元件连接的第一信号调理电路；与第二无驱动结构角速度敏感元件连接的第二信号调理电路；分别与第一信号调理电路和第二信号调理电路连接的数字信号处理电路，用于接收第一信号调理电路根据第一无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第一电信号和第二信号调理电路根据第二无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第二电信号，根据第一电信号和第二电信号输出旋转体滚动角速度、和/或旋转体的横向角速度大小和方位
根据本发明的无驱动结构微机械陀螺的一个实施例，数字信号处理电路根据如下公式输出旋转体滚动角速度
权利要求
1.一种无驱动结构微机械陀螺，能够安装于旋转体，其特征在于，包括 第一无驱动结构角速度敏感元件，第二无驱动结构角速度敏感元件，以及分别和所述第一无驱动结构角速度敏感元件和所述第二无驱动结构角速度敏感元件连接的信号处理电路；其中，所述第一无驱动结构角速度敏感元件和所述第二无驱动结构角速度敏感元件互相垂直安装。
2.根据权利要求1所述的无驱动结构微机械陀螺，其特征在于，所述信号处理电路包括与所述第一无驱动结构角速度敏感元件连接的第一信号调理电路； 与所述第二无驱动结构角速度敏感元件连接的第二信号调理电路； 分别与所述第一信号调理电路和第二信号调理电路连接的数字信号处理电路，用于接收所述第一信号调理电路根据所述第一无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第一电信号和第二信号调理电路根据所述第二无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第二电信号，根据所述第一电信号和所述第二电信号输出所述旋转体滚动角速度、和/或所述旋转体的横向角速度大小和方位角。
3.根据权利要求2所述的无驱动结构微机械陀螺，其特征在于所述数字信号处理电路根据如下公式输出所述旋转体滚动角速度
4.根据权利要求2所述的无驱动结构微机械陀螺，其特征在于，所述数字信号处理电路根据所述旋转体滚动角速度和的横向角速度获得所述旋转体的偏航和俯仰角速度。
5.一种信号处理电路，其特征在于，包括信号接收单元，用于接收根据所述第一无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第一电信号，接收根据所述第二无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第二电信号；滚动角速度确定单元，用于根据所述第一电信号和所述第二电信号输出旋转体滚动角速度；横向角速度确定单元，用于根据所述第一电信号和所述第二电信号输出所述旋转体的横向角速度大小和方位角。
6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述滚动角速度确定单元根据如下公式输出所述旋转体滚动角速度
7.根据权利要求6所述的信号处理电路，其特征在于，还包括偏航俯仰角速度确定单元，用于根据所述旋转体滚动角速度和横向角速度确定所述旋转体的偏航角速度和俯仰角速度。
8.一种无驱动结构微机械陀螺的信号处理方法，其特征在于，包括 接收根据第一无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第一电信号； 接收根据第二无驱动结构角速度敏感元件的角速度输出的第二电信号；根据所述第一电信号和所述第二电信号输出所述旋转体滚动角速度、和/或所述旋转体的横向角速度大小和方位角；其中，所述第一无驱动结构角速度敏感元件和所述第二无驱动结构角速度敏感元件互相垂直安装。
9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于根据如下公式输出所述旋转体滚动角速度
10.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，还包括根据所述旋转体滚动角速度和横向角速度确定所述旋转体的偏航角速度和俯仰角速度。
全文摘要
本发明公开了一种无驱动结构硅微机械陀螺及其信号处理电路和信号处理方法，可以应用于对飞行器、汽车轮胎、钻井平台等旋转体的角速度和角度测量和控制技术领域。该微机械陀螺包括互相垂直安装的敏感元件A和B、以及信号处理电路C。敏感元件A和敏感元件B均是无驱动结构的硅微机械敏感元件，由外框、硅摆、上电极板、下电极板组成。信号通过处理电路，利用正交频率检测算法，消除低频信号对载波频率的影响，实时检测旋转体横向角速度和滚动角速度。根据获得的滚动角速度、横向角速度大小及方位角，通过弹体坐标系变换算法，求出相对于准弹体坐标系的偏航和俯仰角速度，以及偏航和俯仰角度。
文档编号G01C19/56GK102175234SQ20111002362
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月21日 优先权日2010年12月8日
发明者刘宇, 单言丰, 张伟, 张福学, 谢长生 申请人:北京信息科技大学