全角模式半球谐振陀螺振型控制与角度检测

传统半球谐振陀螺采用力平衡工作模式，这种模式仅能直接检测实时转速，且动态范围较小，限制了半球谐振陀螺在具有大动态机动特点的应用场景中的使用。相比之下，全角模式半球谐振陀螺通过滞后角与陀螺转动角度之间的比例关系进行角度检测，相比力平衡模式，具有直接角度检测的功能和更大的动态范围。对全角模式半球谐振陀螺进行了研究，介绍了全角模式半球谐振陀螺的控制与信号处理的方法，以及全角模式半球谐振陀螺系统的实现。该系统通过基于相干解调的信号处理算法，实现了谐振振幅参数的解算，通过PI控制器、正交分解及乘法调制实现了跟踪谐振振型进动控制作用，通过谐振振型进动角度解算器直接解算了陀螺的转动角度。通过数字仿真与实物实验结果可知，所介绍的全角模式半球谐振陀螺系统能够实现不依赖于积分运算的角度检测功能，且较之于力平衡模式，其半球谐振陀螺动态范围有了一定程度的提高。     

半球谐振陀螺技术

半球谐振陀螺是一种基于哥式效应的固体波动陀螺,具有高精度、长寿命、高可靠性的优势,是未来陀螺的重要方向,国内外均开展了半球谐振陀螺的相关研究。本文对美国、俄罗斯、法国以及国内的半球谐振陀螺研究历程、技术及应用现状进行了介绍,在半球谐振陀螺技术发展过程中存在着加工制造难度大、动态范围小以及全角模式下存在角速度测量阈值等技术瓶颈,亟需突破高Q值材料、两件套陀螺加工制造以及全角模式控制等关键技术研究。半球谐振陀螺的未来发展方向包括高精度、大动态、低成本以及轻质小型化等,在航天、航海、战略战术武器等诸多领域上,半球谐振陀螺都将有着良好的应用前景。     

谐振式陀螺全角模式误差来源与接口技术

全角模式是谐振式陀螺的新型接口技术，具有直接测量角度、动态范围大的优点，但其对陀螺元器件对称性要求极高的缺点限制了它的实际应用。首先，从谐振式陀螺全角模式的原理出发，讨论了各种不理想因素对全角模式运行造成的问题。然后，从器件设计和控制系统两方面出发，讨论了可行的技术路线。最后，通过数值仿真的方法证明了理论分析的正确性，并给出了谐振式陀螺的选型和控制系统的建议。     

序言

正回顾半球谐振陀螺技术发展历史,应该说,美国诺格公司(含台尔柯、利顿阶段)发明并发展了半球谐振陀螺,而法国萨基姆公司(后合并为赛峰公司)赋予了半球谐振陀螺新的发展空间和机遇。2000年前后,萨基姆公司提出平面电极两件套方案,并在此基础上先后突破了全角控制、参数自校准、谐振子批量制造等关键难题,针对陆海空天多个应用领域研制了典型产品,特别是2018年发布了精度可达1海里/5天的战略级惯导系统,以至于该公司信心满满的宣称半球谐振陀螺将改变惯性技术版图,并对其进行大力商业推广。这一系列动作和成果引人瞩目,美、俄以及我国近年来重新关注半球谐振陀螺技术的发展,并投入了极大的研究热情。     

半球谐振陀螺发展的技术特征

半球谐振陀螺具有一系列独特的优势,已成功在多个国家得到应用,各国在结构、控制电路等方面均有差异,其应用领域也各有侧重。首先介绍了各国半球谐振陀螺的发展状况,分析了其在结构、控制电路、工作模式以及应用领域上的差异。阐述了国内半球谐振陀螺力平衡模式的控制电路特点及实现,已成功应用在卫星平台。最后通过与国外半球谐振陀螺的对比,对国内半球谐振陀螺的发展方向进行了展望。     

半球陀螺谐振子环向振型进动特性研究

基于半球谐振子的实际加工结构特征,为降低维持半球谐振陀螺振动所需的能量损耗,建立半球谐振陀螺能量型谐振子数学模型,并研究半球谐振子绕中心轴旋转时环向振型的变化规律;通过分析半球谐振子顶端角、底端角和壁厚的非理想性对进动因子的影响,确定半球壳体旋转时应选取的最佳振型与进动因子。采用ANSYS软件构建一系列模型,验证有关理论研究结果。通过计算仿真分析可知,半球谐振子进动因子对顶端角变化的敏感性远大于对底端角变化的敏感性,且顶端角变化引起的角速度误差远大于相同底端角变化引起的角速度误差,为半球谐振陀螺的谐振子加工研制提供了理论依据。     

半球谐振陀螺研究现状与发展趋势

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势。半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一。首先介绍了半球谐振陀螺的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望。     

半球谐振陀螺全角模式信号处理控制方法

介绍了在信号处理的过程中,施加对波腹点、波节点的控制以及谐振频率实时跟踪,从而在谐振振型实时进动的情况下保证谐振振型的稳定,降低陀螺敏感误差;同时对两路相互正交的谐振子谐振信号进行提取和信号处理,得到谐振滞后角度以及陀螺所在载体的转动角度。对该方法进行了数值建模仿真,验证了该方法的可行性。     

基于FPGA的半球谐振陀螺频率跟踪技术

半球谐振陀螺谐振频率的跟踪精度与稳定性很大程度上决定了陀螺的性能。通过分析半球谐振陀螺的频率特性以及锁相环基本原理,设计了基于锁相环的半球谐振陀螺频率跟踪方案,并用FPGA进行全数字化实现。半球谐振陀螺采用真空封装,内部温度难以测量,然而其谐振频率与温度具有很好的线性相关性,因此可采用谐振频率对陀螺温度进行测量。传统的频率跟踪方案一般采用模拟锁相环实现,其缺点是频率值隐含于输出的正弦波中,无法供后继测量模块使用,本文所设计的FPGA全数字方案可弥补这一缺陷。根据陀螺谐振频率与温度之间的关系,给出了利用跟踪频率测温的分辨率公式并进行了相关实验。实验结果显示,谐振频率为4440Hz时频率跟踪稳态相对误差可达10-7量级,利用跟踪频率测温的分辨率可达0.0042℃。     

半球谐振陀螺的基础理论研究

针对半球谐振陀螺的几个基本理论问题,对包括环形谐振子和半球谐振子的动力学理论、控制理论和信号处理理论等进行了系统的阐述和总结,建立了包括谐振子振动频率和进动特性、激励系统稳定性、信号处理等在内的半球谐振陀螺的基本理论框架,以期为今后的具体工程提供理论指导。     

一种新型机载对地观测用三轴稳定平台陀螺安装方式

陀螺安装方式及相应的算法编排是稳定平台设计中的一项关键技术。针对机载对地观测用三轴稳定平台特点,提出了将方位陀螺安装在方位环上,俯仰陀螺和横滚陀螺安装在俯仰环上的陀螺安装方式。利用空间矢量分解理论分析了陀螺输出角速度信号的投影关系及电机控制信号的分配;基于稳定平台系统模型,对理想正交情况和考虑陀螺安装误差情况进行了仿真分析,验证了此种安装方式的可行性和优越性。分析表明,在同等条件下,所提出的安装方式减小了稳定平台的机械尺寸,降低了稳定平台的重量和功耗,实现了三维角速度的正交测量,简化了三轴解耦控制算法。研究结论可为其他三轴稳定平台结构设计和陀螺安装方式设计提供参考。     

半球谐振陀螺仪谐振子品质因数不均匀引起的误差分析

 半球谐振子的品质因数不均匀性是造成陀螺仪输出误差的一个主要误差源,所以研究在参数激励以及位置激励两种模式下,谐振子品质因数不均匀对于陀螺仪输出误差的影响具有一定的理论意义。在引入半球谐振子的环形振动模型的基础上,首先考虑参数激励方式下,品质因数不均匀引起的进动角速率误差的表达式,仿真分析了不均匀性四次谐波对陀螺仪漂移角度的贡献,结果表明漂移角度为具有趋势项的振动曲线。然后在位置激励方式下,通过开环和闭环两种模式分别研究了品质因数不均匀的四次谐波对于输入角速率解算的影响,得出了当位置激励对准固有韧性轴时,解算的误差能够得到抑制的结论。总之,在两种激励方式下,品质因数的四次谐波分量都会导致陀螺仪出现输出误差。     

半球谐振陀螺惯性系统设计探讨

研究了速率积分半球谐振陀螺及其惯性系统的技术特点和应用,并与光学陀螺惯性系统进行了比较。介绍了半球谐振陀螺短期断电工作和小体积低功耗的特点,探讨了自校准技术,并分析了环境适应性设计和对配套部件的要求,为半球谐振陀螺惯性系统工程化设计提供了开放性观点。     

半球谐振陀螺发展综述

首先阐述了半球谐振陀螺工作原理及技术优势,后着重对其在美国、俄罗斯、法国的发展历程、应用场景、技术发展、精度指标及进行了综述,同时概述了国内的发展历程、现阶段达到水平。其后,针对海上领域武器系统的特点及需求,在借鉴国外已有应用的基础上,论述半球谐振陀螺在海上应用的可能性及优势。最后对半球谐振陀螺的未来发展进行了展望。     

Comparison of hemispherical resonator gyro and optical gyros

The basic design of the small hemispherical resonator gyro inertial and tactical grade sensors and associated electronics is described. To reduce the cost of the electronics and maintain part per million accuracy, emphasis has been placed on digital control and processing techniques. A comparison of the ring laser gyro, fiber optic gyro, and hemispherical resonator gyro sensors shows that the latter offer lower cost, smaller size, and higher reliability than their optical counterparts     

Theory of Operation of an Elastically Supported Tuned Gyroscope

Detailed derivation of the transfer function for a multigimbal, elastically supported, tuned gyro is presented and comparison made between its characteristics and those of a classical two-axis, free-rotor gyro. Knowledge of the gyro transfer function is necessary for the purpose of servo analysis of the system in which the gyro is used; also, the transfer function is a basis of evaluation of errors caused by angular inputs that occur at twice spin frequency.     

基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用

以一种新型的运动控制器—A3200控制器为核心搭建了数控系统硬件平台,对控制器的控制函数及直接命令进行了研究,基于机床的需求开发了数控系统软件平台。同时,结合A3200控制器与伺服系统参数整定与优化方法,对伺服系统参数进行了整定和优化,提高了系统的精确性和稳定性。最后,对半球谐振子进行了加工试验,验证了数控系统的控制性能及加工精度。     

速率偏频激光陀螺偏频速率模糊PID自适应控制的设计与实现

应用模糊 PID自适应技术设计并实现了激光陀螺偏频速率的控制系统,结果表明 :偏频台速率平稳性优于 3.1 2× 1 0 - 4;角速率正反换向速度快,在± 60°/ s之间的转换时间约为 1 4 ms,而且换向过程速率超调很小。该控制系统在实际系统中得到了良好的应用