哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
半球谐振陀螺是一种非常有前途的惯性测量元件。全角模式的半球谐振陀
螺可实现高动态范围测量，拓展了其应用场合。在实际应用中，获得输入惯性
速率的准确估计并不是那么简单的，未经补偿的估计误差可以总结为确定驻波
位置方面的测量误差和存在力使驻波即使在没有角速率输入的情况下也会移动
的偏置误差，本文最终目的是将以上所有误差综合在一起进行分析、辨识并补
偿处理，各误差参数分主次被逐个分离辨识并补偿。本文的主要内容如下：
首先，引出包含频差与阻尼不均匀的非理想二阶振动模型。基于已有的谐
振子理想二阶振动模型，阐述了平板电极设计的基本原理，以及用检测出两个
正交振动信号合成的椭圆长轴方位角去计算输入惯性速率的合理性。基于环形
模型证明了，在二阶振型下，对谐振子动力学产生最实质影响的是阻尼不均匀
偏差的四次谐波。针对谐振子壁厚不均匀产生的频率裂解，阐述了谐振子驻波
振动频率环向上呈正弦形式。并综合出谐振子非理想二阶振动模型。
其次，针对阻尼不均匀导致的漂移问题，本文提出了用幅值控制信号在线
辨识阻尼不均匀参数方案。针对频差导致的角速率输出中有谐波误差的问题，
本文加入了两个前馈控制力。在非理想二阶振动模型基础上，加入4个控制力
建立起慢变量等式模型，据此阐明了，在低精度陀螺中，可以用幅值控制信号
在线辨识阻尼不均匀参数，并补偿，降低阻尼不均匀导致的漂移误差。由于在
有角速率输入的情况下，频差导致角速率输出中有谐波误差，因此加入了两个
前馈控制力，降低了角速率输出中的谐波幅值，经仿真验证，效果良好。
然后，建立了半球谐振陀螺检测与驱动的误差模型，提出一种检测与驱动
误差参数辨识方法。在4个控制力建立的慢变量等式模型基础上，加入检测误
差矩阵、相位误差；驱动误差矩阵、相位误差，建立起综合误差模型，据此做
了误差分析，提出了检测误差，驱动误差辨识并补偿方案，经仿真验证，效果
良好。
最后，将频差、阻尼不均匀、检测误差和驱动误差进行综合，实现了误差
分离、辨识并补偿。对各误差表现出的共性和差异性进行了分析，根据差异性
对误差参数进行分离、辨识并补偿。加入噪声进行了全面的仿真验证，效果良
好。阐明了正反转虚拟进动控制模式消除因比例因子不精确引入的积累误差的
原理；给出了比例因子双陀螺自校准方法，减小了比例因子的不精确性，并用
仿真进行了验证。
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
关键词:半球谐振陀螺；全角模式；综合误差；误差分离；辨识；补偿
II
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
HemisphericalResonatorGyroscope(HRG)isahighlypromisinginertial
measurementdevice.Thewhole-anglemodeoftheHRGenableshighdynamicrange
measurements,expandingitsapplicationscenarios.Inpracticalapplications,
obtaininganaccurateestimateoftheinputinertialrateisnotsosimple.The
uncorrectedestimationerrorscanbesummarizedasmeasurementerrorsrelatedto
determiningthestandingwaveazimuthandbiaserrorscausedbythe