基于MEMS传感器的航天器振动特性测量方法研究及实现

为准确测量某卫星平台真实飞行过程发射主动段结构动力学响应及入轨阶段星板结构微振动特性,设计了一种新型MEMS振动测量系统,综合实现对卫星主动段及在轨阶段振动特性测量。针对卫星发射主动段振动冲击大、频谱范围宽且入轨段振动信号振幅和频率较低的特点,测量系统采用了大量程宽带压电式加速度计,以及国产MEMS加速度计和陀螺仪集成设计方案。卫星主动段各关键时段及在轨段各测量工况下的时域和频域冲击振动分析结果表明:测量系统压电加速度计、MEMS加速度计和MEMS陀螺仪均工作正常,测试数据完整有效,测量精度满足卫星结构动力学分析要求,输出结果符合指标要求,已具备产品化条件,具有广阔的应用前景。     

二轴框架平台动力学特性及其可镇定性的研究

对一类典型的Yaw-Pitch结构导引头控制回路中被控系统的动力学特性及内环回路的设计进行了研究.建立了描述结构动力学特性的微分方程组,讨论了基座角振动和结构耦合等因素对多自由度框架结构运动-动力学特性的影响.分析了模型中非线性因素和结构参数摄动导致的稳定性问题,给出了内环回路状态反馈校正的保守鲁棒稳定域.     

抗干扰重力加速度积分粗对准算法

针对强角运动和线振动干扰下捷联惯导无法根据陀螺和加速度计的输出直接计算姿态阵的问题,提出了抗干扰重力加速度积分解析粗对准算法。该算法利用陀螺跟踪载体在惯性空间的角运动,利用重力加速度矢量在惯性空间投影的积分作为参考矢量进行对准以隔离角运动干扰的影响。根据参考矢量的时域特性,采用最小二乘算法对包含线振动干扰的参考矢量进行拟合,利用拟合结果进行姿态矩阵解算以抑制线振动干扰的影响。仿真结果表明,该算法既具有角运动干扰隔离能力,又具有线振动干扰抑制能力,能在强角运动和线振动干扰同时存在的条件下迅速完成粗对准。
     

基于主动阻尼控制的柔性基座振动抑制

针对安装在柔性基座上的空间机械臂运动过程中的振动问题,提出了一种改进的主动阻尼控制方案;利用参数辨识,给出了惯性矩阵估计值的显式表达式,并且在基座振动抑制控制律中加入了基座位移补偿项。对平面二连杆柔性基座机械臂进行仿真实验。结果表明:原始的主动阻尼控制虽然能够保证在机械臂运动过程中基座的振动抑振,但机械臂轨迹跟踪误差收敛较慢,改进后的控制律能够更快地缩小轨迹跟踪误差,整体的基座抑振效果更好。     

石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法

利用高精度石英挠性加速度计可以测量航天器低频微振动,同时也可实现航天器在轨微角振动的间接测量。针对航天器特点,结合石英挠性加速度计工作特性,提出用高精度石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法,给出微振动加速度、角加速度、角速度和角位移的不确定度分析,根据测量原理给出了各影响因素对测量合成不确定度的计算方法和分析结果。针对卫星敏感载荷的刚体平面测试环境,设计8个加速度计测点布局,开展了整星试验。试验数据分析表明:石英挠性加速度计可准确测量航天器的低频微振动(200 Hz以内),其直接测量和间接测量结果满足测量应用需求,线加速度测量分辨率为5μg,角位移测量分辨率为0.015″。     

弹载惯测组合加速度计振动响应影响因素研究

针对弹载惯测组合加速度计面临振动环境下测量精度超差问题,构建弹体-惯测组合的两自由度动力学分析模型,配合有限元仿真手段,从全弹结构和惯测组合内部结构两部分进行分析.研究了减振垫刚度、惯测组合内部架构固有频率特性以及加速度计布局等因素对弹载惯测组合振动响应的影响机理.提出的设计准则包括:降低减振垫刚度有利于减小加速度计的振动响应,但需要避免弹体-惯测组合两自由度系统固有频率过于接近;设计保证质心接近惯测组合减振中心,在存在质心偏心时,需减小加速度计到惯测组合减振中心在垂直于激励方向的距离;优先保证惯测组合内部架构基频高于外部激励的最高频率,如无法实现,需保证内部架构线角耦合频率高于外部主要激励的最高频率.     

惯性加速度计横向灵敏度的振动台测试方法仿真分析

横向灵敏度对惯性加速度计的影响十分重要,但目前尚无标准的测试方法。本文参考振动加速度计横向灵敏度标准测试方法,提出利用振动台进行惯性加速度计横向灵敏度测试。在惯性加速度计某种通用的多项式模型基础上,结合振动加速度标准测试流程,针对某种单轴摆式线加速度计进行横向灵敏度仿真。仿真结果表明,振动台方法能够用于惯性加速度计横向灵敏度测试,惯性加速度计的非线性使其横向灵敏度特性与振动加速度计存在显著区别。     

防空导弹弹性振动抑制

基于防空导弹的数学模型,根据弹体弹性振动的特性,对抑制其振动的方法和稳定回路设计进行了研究。通过确定频带宽度稳定刚性弹体的姿态运动,采用陷波补偿相位稳定和增益稳定抑制弹性振动以稳定弹性弹体。给出了稳定回路的设计,并比较了不同方法的特点。     

空间挠性结构的Stewart平台主动基座振动控制

研究基于Stewart平台主动基座的挠性结构振动控制。首先,建立含Stewart平台主动基座的柔性梁刚柔耦合动力学模型;随后,在模态空间上分别针对挠性结构的一阶和二阶模态设计由线性扩张状态观测器(LESO)和PD控制器组成的自抗扰控制器(ADRC);最后,基于独立模态控制(IMSC)中的模态滤波器从物理坐标中提取模态坐标,建立振动主动控制实验系统,基于模态空间的自抗扰控制方法完成挠性结构的前两阶模态振动主动控制实验。研究结果表明,利用Stewart平台作为主动基座,采用自抗扰控制方法实现挠性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在空间振动主动控制领域具有广阔的应用前景。     

基于磁悬浮动量轮微框架能力的卫星滚动—偏航姿态稳定控制研究

研究基于磁悬浮动量轮的微框架能力进行卫星的滚动-偏航姿态稳定控制问题。在考虑卫星 轨道角速度的条件下,建立了磁悬浮动量轮转子和卫星姿态动力学方程,设计了一种不使用 偏航姿态敏感器的卫星滚动-偏航姿态控制器。该控制器由内、外两个控制回路组成,其中 ：外环控制回路根据滚动姿态敏感器输出的卫星姿态角信息产生转子外框角-内框角的参考 值;内环控制回路控制转子外框角-内框角的稳定,并通过控制转子外框角-内框角跟随外环 回路给定的参考值变化实现动量轮转子角动量方向的变化,与卫星进行角动量交换。对所设 计的控制器进行了稳定性分析,通过仿真进一步验证了其有效性,在给定扰动和不使用偏航 敏感器的条件下,偏航角的精度和稳定度分别优于0.08°和0.0001°／s。
     

MEMS惯性传感器研究现状与发展趋势

基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术的惯性传感器具有重量轻、成本低、体积小等优点,在民用、航天及军事领域有着极其广阔的应用和发展前景。伴随着MEMS技术的快速发展,MEMS惯性传感器各项性能指标也得到了显著提升。对MEMS陀螺仪、MEMS加速度计以及MEMS惯性测量单元(IMU)的基本工作原理、分类及研究现状进行梳理,并对其发展趋势进行了分析与展望。     

小量程窄带宽石英微加速度计敏感元件设计

为满足对振动环境下10Hz以下低频小量程加速度信号的高精度测量需求,设计一种具有窄带宽特点的新型石英MEMS加速度计敏感元件。敏感元件采用变间距式差分电容梳齿结构,基于石英微工艺制作。采用有限元分析手段,对敏感元件质量块尺寸、梳齿长度、梁刚度、止挡与盖板结构等参数进行综合优化设计。仿真结果显示,敏感元件带宽8.9Hz,止挡与盖板结构可以有效提升抗过载及振动能力,设计可以满足飞行器振动环境下小量程低频加速度参数测量需求。     

气压对MEMS梳状线振动陀螺仪影响的研究

MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼包括结构阻尼和流体(空气)阻尼,而对于此种结构而言,空气黏性阻尼比结构阻尼大的多.由于气压的变化会引起空气黏性系数的变化,因而会引起MEMS梳状线振动陀螺仪谐振频率、阻尼系数、零偏等参数的变化.因此,研究气压变化对MEMS梳状线振动陀螺仪的影响是非常必要的.根据MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点,建立了压膜阻尼和库埃特流阻尼模型及气压与阻尼的关系模型,研究了气压对两种阻尼的影响以及对MEMS梳状线振动陀螺仪输出电压的影响.通过研究分析可知,气压在小于一个大气压时对压膜阻尼系数的影响很大,进而对MEMS梳状线振动陀螺仪输出的幅值影响也较大.气压在接近或者大于一个大气压时,MEMS梳状线振动陀螺仪随着气压的变化不大,因此将此种陀螺仪的气压控制在一个大气压.     

静电悬浮加速度计的地面测试与评定方法综述

本综述将静电悬浮加速度计性能指标项目归为五类,阐述了它们与需求的关系,强调了采样率为10SPS、相应的闭环传递函数带宽为3Hz的必要性。指出实验室标定会受到环境振动噪声的干扰,通常的标定方法均不适用,静态标定的首要困难在于准确测定失准角;用专用摆台作动态标定可以大致判断标度因数并观察两台加速度计模型方程各参数的一致性;为了在专用摆台上进行各项性能测试,加速度计检验质量需要在地面重力下悬浮;落塔试验的功用有限,并非加速度计性能指标的量化评定试验;射前检验加速度计噪声采用分析证实的方法,为了降低噪声,必须依靠详尽的理论分析和实验验证,一一找出各种影响因素及其影响程度,采取有力措施,切实加以改进。
     

惯导系统大方位失准角下的初始对准探讨

从惯导系统任意方位失准角度下的ψ角误差方程出发,详细推导了静基座条件下惯导系统大方位失准角度的Ф角误差方程.利用此Ф角误差方程,分析了大方位失准角度情况下与小方位失准角度情况下初始对准过程的异同,指出了这两种情况下水平回路的误差传播过程类似,因而其水平对准方法也一样;而方位对准回路则区别较大,北向和东向速度误差均能够与大方位失准角耦合.由此提出了一种改进的方位罗经自对准方案,此方案对于任意的方位失准角度均能正确收敛到零.改进后的方案已经在某四频激光陀螺惯性导航系统上得到实际的验证和应用,有效保证了恶劣环境下惯导系统方位对准的可靠性.     

长征系列运载火箭介绍:长征四号系列(五)

五、纵向耦合振动抑制系统纵向耦合振动(简称 POGO)是指大型液体推进剂火箭的结构纵向振动与推进系统相互作用而产生的正反馈闭合回路的自激振动。为避免火箭发生纵向耦合振     

石英谐振式加速度计

介绍石英谐振式加速度计工作原理,分析影响元件Q值的因素,计算热弹耗散对Q值的影响,在元件结构中基于机械滤波原理设计振动隔离系统,并通过ANSYS计算验证隔离系统的有效性。最后对样机的性能进行测试,并将测试结果和计算结果进行比较。两者基本吻合,从而证明设计方法的正确性。     

捷联惯导方位大失准角对准研究

在游动方位角坐标系下建立了方位大失准角条件下的SINS初始对准误差模型.在静基座下验证了该误差模型在方位大失准角情况下的滤波效果,比较分析了不同方位失准角的滤波收敛情况,并与线性模型进行滤波比较.最后,将该模型用于动基座的初始对准.静基座和动基座下的初始对准结果表明所提出的SINS误差模型是正确有效的.     

再入航天器的神经网络自适应控制

对于再入航天器来说 ,可恢复故障通常会导致总体控制权限的降低。本文将伪控制限制方法和神经网络自适应控制运用到再入航天器的制导与控制中。利用两个控制回路来实现控制目标。其中 ,外回路适用于力的扰动 ,而内回路适用于力矩的扰动。限制外回路以阻止对内回路动态特性的调整。在达到控制极限时 ,伪控制限制也可进行自适应调整。另外 ,本文还通过加入加速度计反馈元件以提高系统的性能     

长征系列运载火箭介绍：长征四号系列（五）

五、纵向耦合振动抑制系统纵向耦合振动（简称ＰＯＧＯ）是指大型液体推进剂火箭的结构纵向振动与推进系统相互作用而产生的正反馈闭合回路的自激振动。为避免火箭发生纵向耦合振动，在一子级和二子级的氧化剂输送管路的起动阀门前，均设置了抑制ＰＯＧＯ效应的蓄压器。一...