圆柱壳体振动陀螺数字控制技术研究
摘要
圆柱壳体振动陀螺结构简单、加工容易、抗冲击能力强、精度适中，性价比非常高。
本文主要基于力平衡控制方式，利用国产FPGA+STM32的架构，对圆柱壳体振动陀螺
的数字控制技术进行了研究，完成了工作原理分析、误差分析、控制系统仿真与电路搭
建、数字控制系统软件设计、上位机设计等工作，并进行了转台实验测试工作。
本文主要研究内容如下：
1、对圆柱壳体振动陀螺的工作原理进行了研究分析，建立了直角坐标系下的圆柱
壳体振动陀螺谐振子动力学模型，并分别基于椭圆参数方程和直角坐标系运动方程，对
圆柱壳体振动陀螺的角速率测量误差进行了分析。
2、对圆柱壳体振动陀螺谐振频率跟踪原理进行了研究，搭建了力平衡控制系统仿
真模型，验证了上述理论分析的正确性以及控制系统实现的可行性。对控制系统的硬件
整体架构进行了分析研究，并对电荷放大器、带通滤波器等硬件电路进行了搭建。
Multisim仿真结果表明所实现电路能够对电荷信号进行测量，并能够使带通滤波后的信
01
号相位偏移近似为，增益近似为，从而减小了外部电路引入的相位延迟，也避免了
对输入检测信号的幅值产生过大影响。
3、对数字控制系统的软件设计进行了研究分析，主要包括FPGA部分、STM32部
FPGAIIRDDS
分和上位机部分。其中部分主要包括四通道低通滤波器和线性插值信
IIRFPGA
号发生器设计，通过分时复用的方法对常规低通滤波器进行优化，降低了的
资源消耗；通过线性插值的方法对常规查表DDS信号发生器进行优化，消除幅值输出
误差，提高了解调精度。
4、对所搭建系统进行了测试，并进行了转台标度因数和零偏实验，绘制了Allan方
差曲线。结果表明，系统的零偏稳定性为30/h，角度随机游走为0.0667/h。
关键词：圆柱壳体振动陀螺；力平衡；数字控制系统；FPGA
圆柱壳体振动陀螺数字控制技术研究
Abstract
Thecylindricalvibratinggyroscope,whichhascharacteristicssuchassimplestructure,
easyprocessing,strongimpactresistance,moderateaccuracy,hasveryhighcost-effectiveness.
Thisarticleismainlybasedontheforcetorebalancecontrolmethod,usingthearchitectureof
domesticFPGA+STM32tostudythedigitalcontroltechnologyofcylindricalvibrating
gyroscope.Theworkingprincipleanalysis,erroranalysis,controlsystemsimulation,circuit
construction,softwaredesignondigitalcontrolsystem,PCsoftwaredesign,andotherworks
havebeencompleted,andturntableexperimentaltestinghasbeencarriedout.
Themainresearch