基于模态匹配和正交抑制的微机电陀螺闭环控制技术研究

模态匹配和力反馈控制可以在不牺牲检测带宽的情况下，利用机械谐振放大特性有效提高微机电陀螺信噪比、改善陀螺性能。结合一款高Q 值对称式四质量敏感结构的陀螺表头,在陀螺动力学平均模型基础上，通过对检测模态同相分量和正交分量的控制，实现陀螺的闭环检测控制。基于静电负刚度原理，通过改变陀螺敏感结构梳齿与质量块之间的电压，构建实时正交抑制系统和精确模态匹配环节，推导出陀螺的静电刚度矩阵，完成了对正交耦合信号的实时抑制和驱动、检测模态的精确模态匹配并且实现对两环节的解耦控制。实测结果显示，陀螺频差由24 Hz缩小到0.05 Hz以内，全温条件下，陀螺的正交耦合量由3(°)/s抑制到0.01(°)/s，陀螺全温零偏稳定性由初始的11.48（°）/h改善到1.95(°)/h，验证了实时正交抑制和模态匹配等技术对提升陀螺性能的具体效果。     

民用低成本光纤陀螺

本文阐明了在中等精度惯性测量系统中开环光纤陀螺所具有的优势，叙述了这种陀螺光学功能块的工作原理和一种高效率利用成本的陀螺电子线路，就高生产速率而言这种陀螺在设计上也是最佳的。另外，概述了一种模块化设计原理，即用具有较低研制成本和生产 任意类传感器实用户特殊的惯性测量系统。     

基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试方法

光纤陀螺的数字闭环调制解调原理决定了其带宽可以达到几百甚至几千赫 兹,当光纤陀螺带宽大于角振动台最高频率时,采用传统的角振动方法无法准确测试其 带宽。分析了光纤陀螺带宽测试的原理,提出了一种基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试 方法,该方法能够满足大带宽光纤陀螺的带宽测试。对同一只光纤陀螺进行了带宽测试的 对比试验,证明所提出的方法与角振动方法的测试结果一致。将该陀螺带宽增大到原带宽 的4 倍后,采用此方法进行带宽测试,测试结果与理论计算值一致。     

突风减弱控制系统参数优化设计

本文介绍了应用数字仿真技术进行多参数寻优的方法对飞机纵向突风减弱的一种控制系统进行优化设计的原理和结果。在该控制系统中应用升降舵和襟副翼反应求自下述四种敏感元件的返馈信号:1.安装在驾驶员座位处的法向线加速度传感器;2.俯仰陀螺;3.信仰速率陀螺;4.俯仰角加速度传感器。后三者是安装在飞机的重心处。本文给出了单纯形法数字仿真多参数寻优的程序框图,对该方法的寻优原理作了简要说明。文中还给出了算例计算结果和结论性的意见。     

抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

微机械陀螺是现代制导武器的核心器件，但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题，设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理，对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型，分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示，该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz，工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应，谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa，最大位移为8.06nm，证明该结构具有优良的抗冲击特性。     

光纤陀螺尖峰脉冲研究

对光纤陀螺尖峰脉冲进行了深入研究,建立了光纤陀螺前放电路的噪声模型,分析了两个关键参数带宽和放大倍数对陀螺噪声和信噪比的影响,仿真结果指出降低前放带宽、提高放大倍数可以大幅度提高陀螺的信噪比,由于光纤陀螺信号特性的限制,这些改变必须在切除尖峰脉冲后才可以实现。对比分析了常见的几种光纤陀螺尖峰脉冲抑制方案,选择了模拟开关切除尖峰脉冲方案进行试验,试验结果表明,尖峰脉冲抑制方案对光纤陀螺的输出数据噪声性能提升效果显著,改进后的陀螺噪声降低了13%。     

测速反馈在液浮速率陀螺中的应用

本文详述了无温控小型单自由度液浮速率陀螺通过增加测速反馈环节而获得理想动态精度和恒定阻尼的一种设计方案，并给出了系统的回路分析和软件仿真。文章最后还介绍用这种方案使将时间常数较大的速率陀螺改进为积分陀螺的原理。     

硅微三轴轮环式陀螺结构设计与仿真分析

微机械陀螺是姿态控制平台和惯性导航系统的重要应用之一,但是目前国内的陀螺研发集成化程度不高,主要的研究集中在单一检测轴(特别是Z轴检测)微陀螺的设计上.为了实现可用于智能弹药领域的单片集成三轴陀螺,设计了一种轮环式陀螺结构,在ANSYS有限元分析软件中建立了该陀螺结构的有限元模型,并分别进行了模态分析、谐响应分析以及瞬态冲击响应分析.根据驱动模态和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,仿真结果显示工作模态的频率匹配性较好.分析了此结构在半正弦周期加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构在5000g@5ms的瞬态冲击作用下最大应力为190.38MPa,证明该结构具有不错的抗冲击特性.     

振子框架式微机械陀螺的优化设计及电学模拟

 根据驱动模态频率和检测模态的频率相互匹配,用有限元法优化了振子框架式微机械陀螺的结构尺寸;根据建立的陀螺振动的等效电路模型,对检测振动的性能进行了模拟分析,该模型为传感器与接口电路的整体模拟打下了基础。     

力反馈式速率陀螺系统中非线性环节的影响分析

研究了速率陀螺传感器的非线性特性，利用描述函数方法对非线性的影响进行了分析。在小角速率输入条件下，非线性的影响是不能忽略的。系统仿真分析表明：系统参数的合理设计，可以显著地减小非线性造成的影响，从而改善系统性能。     

运载火箭振型斜率测量系统研制

结构动力学分析是运载火箭研制必不可少的环节,动力学分析的基础是建立一个准确的数学分析模型,这个数学模型需要通过一些试验测量获取的动特性参数来充分验证。运载火箭的振型斜率是运载火箭稳定控制系统设计的重要参数,该参数受舱段结构局部变形影响较大,无法通过数学仿真计算得到。因此,新型运载火箭必须进行全箭模态试验以获取振型斜率参数。通过全箭模态试验,完成了通过速率陀螺+加速度计直接测量的方式获取箭体结构振型斜率值。同时,根据不同频率下的模态试验,给出了速率陀螺标度因数在不同频率下的修正因子。试验结果表明,本测量方法有效提高了振型斜率的测量精度。     

低成本无人机传感器配置方案的设计与仿真

以降低无人机制造成本为目标,在保证无人机安全自主飞行的前提下,提出了基于GPS和垂直陀螺、GPS和三轴速率陀螺及GPS和低成本惯性组件的3种低成本传感器配置方案,并针对每种方案在工程中遇到的问题,采用低通滤波、高通滤波和卡尔曼滤波等数据融合算法予以解决,最后在MATLAB平台下对每种传感器配置方案进行仿真验证.研究对比表明,对于自身稳定性较好的无人机,该3种传感器配置方案均能够实现姿态控制、高度控制、滚转控制以及航迹控制.     

浅析减小三自由度陀螺传感器零位的工艺方法

介绍了三自由度陀螺应用特点,简述了角传感器结构及工作原理。从设计理念和实际制造工艺过程分别分析了零位超差、斜率不对称的原因,针对理论上存在的零位偏差从工艺上采用选配方法实现满足对称设计目的,以期望减小传感器零位,提高传感器输出的陀螺零位精度。经实践验证,工艺选配控制方法和流程有效,效果明显,可供其他陀螺借鉴应用。     

极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺结构强度分析

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺，其具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点，可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。针对极端瞬态力作用下金属壳谐振陀螺的结构强度进行了研究，在分析其工作原理和基本数学模型的基础上，利用有限元仿真方法，在通用炮射环境条件下进行了分析。通过仿真计算，给出了金属壳谐振陀螺的结构强度分析结果，验证了其抗过载能力。     

微机械陀螺正交耦合误差静电力抑制的有限元仿真研究

微机械陀螺的正交耦合误差是敏感结构振动模态间的刚度耦合引起的检测模态输出偏量,是影响陀螺性能的关键误差源之一。静电力抑制是一种采用静电力调节驱动模态的主轴偏量,使用直流电压进行正交耦合误差抑制的方法,该方法具有片上实时抑制能力,能够有效抑制正交耦合误差。从静电力抑制正交耦合误差的基本原理出发,运用有限元仿真,对硅基音叉陀螺正交耦合误差的静电力抑制进行了仿真分析,并通过实物测试数据进行了验证。     

相控阵雷达导引头波束稳定技术研究

 相控阵雷达导引头已成为新型空空导弹制导系统的首选,相控阵雷达导引头应用在空空导弹上需要首先解决导引头波束稳定的技术难题。本文基于波束指向在惯性空间不变性原理提出一种相控阵雷达导引头波束稳定算法,对影响相控阵雷达导引头隔离度性能的主要因素进行了仿真分析。仿真结果表明:该算法可以实现相控阵雷达导引头波束惯性空间指向稳定并且满足工程应用要求;通过减小速率陀螺数据周期和波束控制周期,及引入速率陀螺传输延时补偿算法可以提高导引头的隔离度性能。     

飞机速率陀螺组件故障分析

飞机速率陀螺传感器组件用于测量飞机的俯仰、滚转与航向角速度,对于飞行品质起着关键作用,关乎飞行安全。本文对一起典型飞机速率陀螺组件故障进行深入分析,找出故障的根本原因,并总结其他常见速率陀螺组件故障类型和解决办法,为后续故障的排除和预防提供参考。     

新型磁悬浮振动陀螺的设计与分析研究

振动陀螺是一种利用哥氏效应检测角速度的传感器,其谐振子的结构精度和阻尼均匀性限制了陀螺性能的提升。为减小谐振子结构与支撑锚点的影响,提出了一种全新概念的磁悬浮振动陀螺。该陀螺利用电磁悬浮的方法将谐振子悬空,从而简化了谐振子为无支撑锚点的集中质量块,降低了其结构精度要求,消除了机械结构阻尼,最终达到提升陀螺性能的目的。基于经典振动陀螺模型,理论分析了磁悬浮振动陀螺的基本工作原理,并说明了谐振子误差对陀螺性能的影响规律,设计了新型磁悬浮振动陀螺的结构,并对该结构的磁感应强度进行了仿真分析。仿真结果证明,悬浮质量块振动稳定,具有较好的磁场均匀性。最后对陀螺样机进行了测试,其固有频率为20Hz,标度因子约为1.6mV/[(°)/s],测试结果验证了所提磁悬浮振动结构的陀螺效应。     

一种新型的硅微机械陀螺数字读出系统

为了简化系统设计,进一步改善陀螺的控制性能,提出了一种新型的微机械陀螺数字读出系统方案.该方案采用EPLL和AGC技术实现陀螺驱动模态的相位与幅度闭环控制,采用EPLL技术实现检测模态的信号解调.不仅降低了对陀螺品质因数的要求,而且省去了低通滤波器的设计.通过仿真实验不仅验证了该方案的可行性,还研究了EPLL参数对陀螺数字读出系统性能的影响.该方案对今后微机械陀螺系统的实现与性能的进一步提高有一定的指导作用,同时也为今后陀螺系统的误差补偿以及自标定、自校准奠定了基础.     

基于增益在线辨识的微机电陀螺 标度因数补偿技术研究

标度因数温度稳定性是微机电陀螺的关键指标之一,是评价陀螺温度性能的重要依据。推导并分析了温度对陀螺标度因数的影响,指出驱动模态振动位移、检测通路电路增益及两模态频差是影响陀螺标度因数温度稳定性的3个重要因素,测试了对标度因数影响较大的电路增益和频差在温度变化条件下的变化。对此设计了基于增益在线辨识技术的标度因数温度补偿方案并进行了数值及宏模型仿真,通过在驱动端和检测端施加一远离陀螺工作频率的辅助信号实时辨识出电路的增益变化,进而进行增益补偿,同时对陀螺频差变化带来的影响也进行了补偿。仿真结果表明该方法能够大幅提高陀螺标度因数的温度稳定性,由未补偿下的7.93×10~(-4)/℃降至1.0×10~(-5)/℃以内,改善幅度达98%以上。