超流体陀螺相位波动噪声自适应抵消系统分析

针对超流体陀螺相位波动噪声影响陀螺角速度检测精度的问题,提出了一种基于递推最小二乘（RLS）算法的陀螺自适应噪声抵消系统。首先,建立了超流体陀螺的相位检测模型,得到了陀螺输出薄膜幅值和相位的关系。其次,考虑热运动的影响,建立了相位波动噪声的等效输入角速度模型,探索了陀螺参数对角速度噪声的影响,得到了陀螺角速度噪声幅值范围。在此基础上,考虑该角速度噪声与输入角速度的互不相关性,将超流体陀螺薄膜幅值解算输出的混合角速度信息作为抵消系统的期望输入,将相位波动噪声引起的角速度噪声作为RLS自适应滤波器的参考输入,通过自适应调节参数使得RLS自适应滤波器的输出与混合角速度信息的噪声部分相抵消。通过与最小均方（LMS）算法仿真对比表明,在大角速度、大噪声情况下,该抵消系统能够有效消除陀螺混合角速度信息中的噪声成分,且具有较快的收敛速度和较好的稳定性。      

数字闭环光纤陀螺死区非线性机理

死区非线性是数字闭环光纤陀螺的非线性误差之一,抑制死区非线性可以减小数字闭环光纤陀螺的输出噪声和漂移.分析了死区与分辨率和阈值的关系,给出了数字闭环光纤陀螺死区的定义和测量方法.提出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及进入相位调制器的调制误差信号是产生死区的干扰源.给出了干扰信号的频率和相位特征,并分析了干扰信号跟踪、锁定输入信号的过程.将反馈干扰通道的部分积分模型和理想的数字闭环光纤陀螺模型结合,建立了带死区的陀螺模型.基于陀螺模型及相位调制信号与死区的关系,推导出了死区产生的条件及死区造成的陀螺输出偏差.死区影响因素的仿真结果和实验结果验证了陀螺模型和死区产生条件的正确性.      

MEMS多环陀螺调频控制系统

MEMS多环陀螺是一种轴对称结构基于科里奥利力运动的固体波动陀螺，然而由于加工工艺误差导致了系统模态之间频率漂移、阻尼不均等一系列问题，限制了其向高精度领域的发展。首先对MEMS多环陀螺在力平衡模式下的动力学模型进行分析并对信号处理进行简要介绍，随后对于频率误差做出进一步分析并提出了一种基于电刚度补偿的调频方案，最后基于FPGA平台进行了加入调频控制后的MEMS多环陀螺控制系统实验验证，证明通过两步电刚度补偿法，可以将系统模态之间的频差降为1Hz以内，且有效地降低了系统的零偏和零偏稳定性。     

基于DSP的全数字闭环光纤陀螺

介绍了一种采用DSP(Digital Signal Processor)技术实现的全数字闭环光纤陀螺.该闭环光纤陀螺采用以多功能集成光学器件为核心的全保偏结构,以方波为偏置调制,数字阶梯波反馈.文中对该闭环光纤陀螺的前置放大、信号检测、数字解调、数字滤波等部分进行了设计和实现,对采用DSP技术解决系统精度和实时性矛盾的方案进行了讨论,并对闭环光纤陀螺的性能和参数进行了理论分析和实验测试.测试结果表明系统达到了小于0.3/h的零漂和100×10^－6的非线性度指标.     

MEMS陀螺双通道数字接口系统设计

针对现有的MEMS陀螺接口系统只能对一个陀螺进行测控导致标定测控效率低下的问题,提出了一种新型的可同时对两个陀螺进行测控的MEMS陀螺双通道接口系统架构,并设计了一套与之对应的MEMS陀螺双通道测控电路,包括前端模拟电路、后端数字系统和人机交互终端。通过设计的人机交互系统对整个系统的全部功能进行了测试,其中扫频、锁相、稳幅、线性度和零偏稳定性等功能均能正常运行,在实际使用测试中相较于单通道接口系统测控效率提升到2倍以上。     

光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法

针对传统方法在建立时间序列模型基础上应用卡尔曼滤波器去除陀螺随机噪声误差的缺陷,提出了一种适于在线补偿光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyrosope)随机误差的滤波方法.当建立的时间序列模型系数出现偏差时,通过引入虚拟噪声,来补偿滤波过程由于系统模型时变和未知噪声而引入的误差,实现了对陀螺随机漂移误差的高精度滤波处理.其次,利用Allan 方差分析法分离并确定了光纤陀螺的主要随机误差源,并对建立的光纤陀螺时间序列模型及滤波方法的适用性及精度进行了评估.通过对光纤陀螺实测数据的分析表明,速率斜坡、速率随机游走和零偏稳定性为FOG的主要随机噪声,所提出的自适应滤波算法能够适应陀螺漂移的时变特点,是一种有效的去除光纤陀螺随机漂移噪声方法.      

BP-AdaBoost模型在光纤陀螺零偏温度补偿中的应用

针对光纤陀螺零偏漂移随温度呈复杂的非线性变化,建立了BP-AdaBoost（Back Propagation neural network,Adaptive Boosting）模型对零偏进行补偿,改善了光纤陀螺的零偏稳定性能.同时,研究了模型参数对预测精度的影响,给出了BP神经网络隐含层神经元个数的选择以及AdaBoost模型迭代次数的确定方法.运用AdaBoost算法提升单个BP神经网络的预测能力,提高了集成模型整体的预测精度.对采集的光纤陀螺输出实测数据进行了事后仿真,结果表明,BP-AdaBoost模型相比传统的线性回归模型、混合线性回归模型、单个BP神经网络模型的补偿效果更显著,验证了该模型的有效性,具有重大的工程应用参考价值.      

一种模型误差鲁棒的卫星姿态确定方法

提出一种结合非线性预测滤波和二阶插值滤波实现基于星光/陀螺的高精度姿态确定的新算法.该算法用非线性预测滤波估计模型误差,再对补偿后的模型用高精度的二阶插值滤波来估计姿态参数.解决了在卫星实际运行中难以获得姿态确定系统的精确动力学模型,采用传统EKF(Extended Kalman Filter)将模型误差作为零均值白噪声处理,导致滤波精度降低甚至发散的问题.同时,二阶插值滤波将非线性模型按照二阶近似,无需计算函数偏导数,得到高精度的卫星姿态估计.仿真验证了该方法能有效地实时估计并补偿模型误差,提高了姿态估计的精度,且估计精度受滤波周期的影响不大,从而验证了算法的鲁棒性和有效性.      

1000N·m·s控制力矩陀螺噪声测试与分析

控制力矩陀螺是空间站的关键姿态控制部件,也是空间站的主要噪声源.对1000N.m.s控制力矩陀螺的噪声进行了详细测试,测试结果表明1000N.m.s控制力矩陀螺的最大噪声值达到90.9dB.对测试结果进行了分析,确定了主要噪声源及其作用机理,为后续降噪工作奠定了基础.     

MEMS陀螺半实物仿真系统设计

微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)陀螺是基于科氏力原理,用于检测外部旋转的一种角速度传感器。由于MEMS陀螺本身性能的限制,其内部机理研究和接口电路设计的进程发展缓慢。本文通过分析MEMS陀螺的数学模型,并通过将RLC电路与MEMS陀螺特征方程形式进行对比,说明了借助RLC电路建立MEMS陀螺半实物仿真 (Hardware-in-loop Simulation,HILS) 系统模型的可行性。在充分考虑了实际MEMS陀螺的输入/输出项、耦合项和谐振频率调节等完整功能的前提下,完成了MEMS陀螺的HILS系统模型各个功能模块的设计。本文设计的MEMS陀螺的HILS系统模型可实现实际MEMS陀螺的输入输出、谐振频率调节以及角速度检测,并通过一系列实验证实了其性能的可靠性,本设计为将HILS方法应用于MEMS陀螺研究提供了有效的依据。     

基于PXI平台的半球谐振子相位幅度控制

半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件之一,其振动参数的测试对自身结构设计与加工过程的参数优化具有至关重要的作用。作为测试系统的重要组成部分,本文设计并实现了基于PXI平台应用LabVIEW编程的半球谐振子相位幅度控制系统,针对测试中存在的谐振频率的漂移和振幅衰减等问题给出了解决方案。实物测试结果表明：该测试系统能有效地实现半球谐振子的相位跟踪及能量控制,可解决开环测试方案下谐振子的频率漂移问题以及初始振幅不一致对谐振子振动性能参数测试的影响,具有快速性好、控制精度高、功能扩展便捷等优点,极大提高了半球谐振子批量化生产与测试效率。     

一种MEMS陀螺随机漂移的高精度建模方法

为补偿MEMS陀螺随机漂移,采用时间序列分析法对其进行自回归滑动平均（ARMA）模型辨识,提出一种滑动平均（MA）参数估计的新方法。先将陀螺随机漂移建模为带观测噪声的ARMA模型,在估计出自回归（AR）部分的参数后,针对AR滤波后的残差,推导出一种方差小的MA自协方差估计值,并将该估计值作为输入,利用Gevers-Wouters（GW）算法估计出MA部分的参数。仿真结果表明,MA参数估计精度得到提升的同时,参数估计可靠性也得到了增强。MEMS陀螺的随机漂移补偿实验进一步验证本文所提算法的补偿精度高于改进前。      

一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

谐振式集成光学陀螺中电流调谐致强度噪声研究

采用半导体激光器(LD)是谐振式集成光学陀螺(RIOG)小型化发展的重要趋势,但是LD的电流调谐特性会引入强度噪声.理论分析了电流调谐致强度噪声对开环RIOG性能的影响,得到频率锁定位置与LD输出光强之间为线性关系.随后,提出了基于频率锁定位置的强度噪声抑制方案,通过频率锁定位置实时监测LD输出光强的变化,根据监测值得到补偿系数,并补偿陀螺输出.建立了抑制电流调谐致强度噪声的理论模型,并进行了实验验证,RIOG的零偏稳定性由0.768(°)/s提高到0.103(°)/s.      

间接稳定式光电稳瞄系统误差建模与补偿

为提高间接稳定式光电稳瞄系统的稳定精度,建立了系统的稳定误差模型.研究了基于旋转调制技术的陀螺消噪方法;设计了采用测速发电机和光电码盘组合的测速方法,用以消除码盘的量化噪声;分析了陀螺和摄像机安装偏角与视轴稳定误差之间的关系,提出了基于光电跟踪技术的安装偏角估计方法.实验及仿真结果与理论分析吻合较好.结果表明:对系统进行完整的误差补偿后,采用低精度MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺的间接稳定系统的稳定精度与中等精度光纤陀螺直接稳定系统的稳定精度相当.     

多环谐振微陀螺性能参数的有限元计算

多环谐振陀螺是目前最具发展前景的MEMS陀螺之一,如何快速对多环谐振陀螺进行参数优化设计成为研究热点。本文在多环谐振陀螺的基本结构的基础上,通过理论研究,发现机械灵敏度和机械热噪声的主要结构影响参数为陀螺的谐振频率、有效质量、角度增益以及品质因子。并使用COMSOL 和 MATLAB 等软件搭建了有限元计算平台,实现了对上述性能参数的有限元仿真求解,为研究环形谐振陀螺结构的性能参数和优化设计提供了有力的软件仿真工具,并且可以推广应用到研究其他陀螺器件中。     

MEMS谐振器的常用闭环驱动控制方法对比分析

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)谐振器因其频率输出的特性被广泛应用于多种微机电传感器中。为提高其谐振工作状态的稳定性,普遍采用闭环控制的方法实现MEMS谐振器的静电驱动和检测。本文针对三类主流的MEMS谐振器闭环驱动方法开展研究,即分别对无自动增益控制、直流-交流自动增益控制和交流自动增益控制方法进行了原理分析和仿真建模。通过搭建仿真模型对比了三种闭环驱动控制方法的响应速度和稳幅效果,并总结了各类方法的优缺点。结果表明,无自动增益控制的闭环驱动方法结构简单,引入噪声源较少,稳幅效果较差,易造成谐振器的振动非线性;直流-交流自动增益控制和交流自动增益控制方法响应速度快,稳幅效果好。其中直流-交流自动增益控制方法稳定性好,功耗高,不利于低功耗、小型化发展。交流自动增益控制方法结构简单,但增益模块会导致噪声信号被放大,不利于信噪比的提高。本文的研究为未来对特定谐振器闭环驱动控制方法提供了较为具体的指导意见。