半球谐振陀螺仪虚拟旋转速率在线校准技术的突破性研究

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为国防科技大学先进交叉学院的Tao Xia与Jingyu Li，合作者包括Changda Xing、Jie Yuan等共8位研究者。论文《Online calibration of the virtual rotation rate for whole-angle hemispherical resonator gyroscopes based on a dual-gyro configuration》发表于2024年的IEEE Sensors Journal，聚焦高精度惯性导航领域的关键技术挑战。

二、学术背景与研究目标
半球谐振陀螺仪（HRG, Hemispherical Resonator Gyroscope）作为新一代惯性传感器，因其超稳定标度因子和理论上无限的带宽，在航空航天等领域展现出替代光学陀螺的潜力。然而，其全角模式（Whole-Angle Mode）的精度受限于谐振器的制造不对称性，需通过虚拟旋转（Virtual Rotation）技术补偿周向误差。传统方法依赖固定值校准或外部信号注入，无法实时跟踪虚拟旋转速率的时变漂移（如温度影响电路增益和谐振频率）。本研究旨在提出一种基于双陀螺架构的在线校准方案，解决虚拟旋转速率与外部转速混叠的难题。

三、研究流程与方法
1. 误差机制建模
- 基于Lynch理论建立HRG动力学方程，解析虚拟旋转速率的主要误差源：电压-力转换系数（ae）、谐振频率（ω）和振动幅值（a）。实验证明，温度每变化10°C会导致虚拟旋转速率漂移28.8°/h。
- 创新性发现：虚拟旋转速率漂移与谐振器温度非同步变化，导致传统查表法（LUT）失效。

1. 双陀螺系统设计

   • 硬件架构：开发数字-模拟混合双通道接口电路，采用FPGA实现16kHz高速信号处理，ADC/DAC分辨率达18位，支持千赫兹级谐振频率控制。
     
   • 异步调制方案：两陀螺采用时间错开1/4周期的旋转调制（顺时针/逆时针交替），通过差分输出分离虚拟旋转速率（ωv1, ωv2）与外部转速（ωt）。数学推导证明，通过相邻周期测量方程迭代可实时求解ωv1和ωv2（公式12）。
     

2. 实验验证

   • 静态测试：12小时室温实验显示，双陀螺方案将偏置重复性标准差（SD）降低2.67倍（从2.48×10⁻⁴ °/s至0.93×10⁻⁴ °/s）。
     
   • 温度循环测试（-40°C至60°C）：
     
     • 双陀螺方案使进动角（Precession Angle）残差范围平均提升10.31倍，信噪比（SNR）提高12.28倍。
       
     • Allan偏差分析显示，偏置不稳定性（BI）改善3.06倍。
       
   • 动态环境测试：引入转台模拟外部转速（0–3°/s），双陀螺方案在温度与转速耦合条件下，最大残差范围提升13.86倍。
     

四、核心结果与逻辑链条
1. 误差分离有效性：异步调制方案通过数学解耦，成功将虚拟旋转速率校准误差控制在±0.25°内（图8-10），验证了动力学模型的准确性。
2. 温度鲁棒性：实验数据表明，双陀螺方案可跟踪谐振器与电路的时变参数（如ae和ω），克服了传统固定值校准在温度滞后时的失效问题（图7）。
3. 动态性能：在复合干扰下，双陀螺系统仍保持稳定的角速率输出（图11），证实了工程适用性。

五、研究价值与结论
1. 科学价值：首次系统解析虚拟旋转速率的误差机制，提出“异步差分迭代”理论框架，为HRG动态误差补偿提供新范式。
2. 应用价值：该方案无需额外信号注入或高精度频率测量，显著降低高Q值HRG的校准复杂度，适用于长时导航任务。

六、研究亮点
1. 方法创新：双陀螺异步调制方案属首创，通过硬件架构与算法协同实现实时校准。
2. 性能突破：在动态环境中实现13.86倍的误差抑制，为战略级导航系统提供技术储备。
3. 跨学科贡献：融合微机电系统（MEMS）控制理论与惯性传感器工程，推动全角模式HRG的实用化进程。

七、延伸价值
该架构可扩展至其他振动式陀螺仪（如环式谐振陀螺），并为周向不对称误差的在线辨识奠定基础。研究团队计划进一步探索虚拟旋转与角度依赖误差的联合补偿算法。