光纤陀螺温度影响与误差补偿

温度性能是光纤陀螺工程化面临的难题之一,建立温度模型是提高光纤陀螺温度性能的有效方法.从理论上推导了光纤陀螺零偏、标度因数温度误差是由于热作用于光纤环导致光路非互易性所引起.分析了光纤陀螺热源产生的两个主要原因:光纤陀螺内部有源器件工作过程中产生的热;外界环境温度变化引起光纤环内部温度场分布变化.二者对光纤陀螺的影响是随机的,引起的光纤陀螺零偏漂移和标度因数误差可以通过建立温度模型进行补偿.采用线性回归方法,建立了光纤陀螺零偏温度漂移模型和标度因数温度模型,对光纤陀螺输出数据进行补偿,有效改善了光纤陀螺温度性能,实验验证了模型的正确型和补偿算法的有效性.      

光纤陀螺温度与标度因数非线性建模与补偿

研究了光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)温度效应和标度因数非线性误差的复合建模及补偿方法.分析了热作用于光纤环引起光路非互易性的机理,针对由温度和标度因数非线性引起的严重非线性漂移误差,提出了一种改进的实用精确补偿FOG温度和标度因数漂移的分段复合建模方法.通过对VG951型FOG全温度和全角速率范围内实际测试数据进行建模及处理表明,经分段复合模型补偿后,陀螺漂移从4.4 (°) /h减小到0.1 (°)/h,较传统补偿方法的精度得到大幅度提高,实验验证了建模方法的精确性及补偿方法的有效性.     

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1 σ ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1 σ ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.      

卫星用光纤陀螺三轴组合的关键技术

研究了空间环境对光纤陀螺各项指标的影响,设计了一种新颖的卫星用光纤陀螺三轴组合.针对空间辐射、温度循环和真空环境对光纤陀螺的影响进行了模拟实验,通过分析实验数据得到了空间环境对光纤陀螺主要参数的影响机理.利用最小二乘滤波的方法建立了偏置误差模型,利用查表法建立了标度因数误差模型,并用现场可编程门阵列(FPGA)实时进行零偏和标度因数补偿,补偿后陀螺输出零偏稳定性为0.1(°)/h.同时详细分析了陀螺在空间低角速度环境下产生死区的原因,并利用周期相位扰动调制的方法消除了死区.在卫星用光纤陀螺三轴组合的设计中,实现了光源复用和冗余、空间主动和被动防护措施、在轨故障诊断等技术.      

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。     

改进的内框架驱动式硅MEMS陀螺温度误差模型

温度误差是MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺仪的主要误差源之一,为了消除温度对内框架驱动式硅MEMS陀螺仪性能的影响,提出了一种改进的温度误差模型.基于硅材料的赛贝克(Seebeek)效应,结合表头温度变形,分析了陀螺仪零偏误差;利用温度引起的干扰力矩,分析了陀螺仪输出与比力及角加速度有关项误差;针对温度引起系统谐振频率的变化,分析了陀螺仪标度因数误差.试验结果表明:在温度变化过程中,比力引起的干扰力矩是导致陀螺仪温度误差的主要因素,验证了改进的温度误差模型的正确性,补偿后陀螺仪的零偏稳定性提高了53.75倍,标度因数精度提高了19.6倍,改进的温度误差模型也适用于其它MEMS陀螺仪.      

半球谐振陀螺零偏温度漂移的自补偿

摘要： 针对半球谐振陀螺零偏受温度影响容易发生漂移的问题,提出一种基于陀螺自身谐振频率的自补偿方法.通过分析陀螺谐振频率与温度的关系特性说明陀螺谐振频率用作温度信息进行补偿的可行性,建立陀螺零偏的温度补偿模型及方案,采集陀螺驱动回路的谐振频率对零偏进行实时补偿.此方案中,陀螺谐振频率检测的分辨率为0.03 Hz,对应的温度分辨率为0.075 ℃,在-10 ℃～60 ℃温度范围内,陀螺的零偏漂移由补偿前的30（°）/h降低到2.8（°）/h.实验结果证明该方案的有效性.     

基于模糊理论的加速度计标度因数稳定性分析

运用模糊理论描述了影响加速度计标度因数稳定性诸多因素的不确定性问题,针对其中的磁钢磁感应强度和石英摆片热膨胀系数两类稳定性影响因素,给出了其三角模糊数区间,并通过该型加速度计的磁-结构耦合ANSYS分析求出了在模糊参数不同组合下的仿真输出,根据仿真输出结果获得了标度因数模糊稳定区间,给出了加速度计标度因数稳定性分析流程及实例.分析说明了基于模糊理论的稳定性分析方法可以为加速度计加速稳定试验截止条件提供依据,对提高加速度计标度因数长期稳定性水平具有重要意义.     

三轴一体光纤陀螺高精度标定方法

针对三轴一体光纤陀螺,定义了标定转换模型,理论上分析了标定过程中各项参数之间相互影响以及地球转速影响导致标定精度较低的问题.针对零偏、标度因数和安装误差角提出一种各项分离测试的高精度标定方法,并将此方法实际应用于某三轴一体高精度光纤陀螺捷联系统,得到了陀螺标定结果.对标定结果进行了误差检验测试以及应用标定结果后进行了系统静、动态测试.测试结果表明:经过标定过程后陀螺精度以及系统测试结果均达到了预期性能要求,验证了标定方法的正确性和实用性.     

开环光纤陀螺的数字接口研究

为了提高开环光纤陀螺(FOG)的性能,对它的输出进行了分析并建立了相应的数学模型.在此基础上设计了一种数字化接口,该接口是一种小型的微控制系统,由增益可控的A/D转换器和相应控制软件组成并具有自动分档功能,它除了将开环FOG的模拟输出数字化外,还实现了数字输出的线性化.利用一种全保偏开环FOG进行了实验研究,在采用这种接口后,FOG的输出在±100°s范围内,其标度非线性值可由10－2量级减小到10－4量级.      

多曝光星敏感器的全运动参数建模及优化设计

多曝光成像方法是一种有效提升星敏感器姿态更新率的技术，但该方法随着运动角速度及角加速度增大，相邻星点轨迹的交叉概率显著增大，严重影响其提升性能。为了解决上述问题，建立了基于星敏感器全运动参数的星点成像位置模型，并据此确定了星点在工作周期内的运动位移。根据该模型，对交叉概率与全运动参数、焦距、星点位置等的关系进行了仿真，并确定了全运动参数的极限安全值为角速度ω≤26.4（°）/s，角加速度α≤5（°）/s2。外场观星实验充分验证了所提方法的有效性。      

INS全温六方位速率标定及分段线性插值补偿

针对捷联惯性导航系统(INS, Inertial Navigation System)全温动态环境下测量误差问题,提出一种全温六方位正反速率标定及分段线性插值补偿方法.根据工作环境设定标定温度点,在每个恒温点设计六方位正反速率标定方案;采用分段线性插值算法实时补偿系统零偏和标度因数温度误差,提高了系统温度及动态环境下的测量精度.实验结果表明:采用该方法系统的车载和飞行实验纯惯性导航误差均值分别由1.501 n mile/h和5.811 n mile/h减小到0.393 n mile/h和0.68 1n mile/h,为进一步提高合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)成像分辨率奠定基础.     

考虑陀螺频率特性的角速率输入圆锥补偿算法

针对陀螺直接输出角速率且通带内增益不一致(频率特性),而传统角速率输入圆锥补偿算法要求输入理想的角速率,提出了一种考虑陀螺频率特性的角速率输入圆锥补偿算法.推导了圆锥运动情况下姿态更新周期内理想旋转矢量增量和实际姿态算法计算的旋转矢量增量,以最小化理想旋转矢量增量和计算旋转矢量增量之间非周期项的差异为计算圆锥误差补偿系数的准则,最优补偿系数可以看成是采用理想角速率输入的圆锥补偿算法系数与考虑频率特性时对理想圆锥补偿算法系数修正的和.得到了公式化求解考虑频率特性的各子样算法最优系数的方法.仿真结果表明,所提出的算法比传统角速率输入圆锥补偿算法在精度上有明显提高.     

基于查表的开环MPM预失真器

提出了一种基于查表的开环记忆多项式模型(MPM,Memory Polynomial Model)预失真器.从MPM预失真器系数估计和执行信号预失真处理两方面加以考虑.首先,利用预失真器和高功率放大器(HPA,High Power Amplifier)传输特性的互补性,由采集到的HPA输入、输出基带数据进行单次最小二乘估计得到MPM预失真器的系数,避免了以往递归结构的收敛性和计算量大等问题.然后,利用MPM预失真器的特点,建立了基于输入信号强度索引的一维向量表,通过查表实现MPM预失真器的幂次累加项,极大地减少了实现预失真器所需的计算量及硬件开销.仿真显示,采用提出的预失真器可以有效补偿HPA对信号的记忆非线性失真,有效带宽内获得了近20 dB的功率改善,也显著改善了系统误码性能.     

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.      

舵面电动加载系统的自适应CMAC复合控制

针对无人机舵面电动加载系统具有非线性及多余力矩的特点,提出了一种自适应CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)神经网络与自适应神经元控制器并联构成复合控制结构.该控制策略以系统的指令输入和实际输出作为CMAC的激励信号,以系统的当前控制误差作为CMAC的训练信号.提出了利用误差在线自适应调整学习率的方法,消除了常规前馈型CMAC的过学习和不稳定现象.建立了无人机舵面电动加载系统的数学模型,给出了具体的控制结构和算法.仿真结果表明:该方法有效抑制了加载系统的多余力矩,增强了系统的稳定性,明显改善了舵面电动加载系统的动态性能.     

用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法

针对加速度计标度因数在轨标定精度低、成本高,需要其他辅助设备且难以工程实现等问题,提出了一种利用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法。用该方法对加速度计进行在轨标定,只需要惯组旋转机构按照给定的速率匀速旋转,根据惯组内陀螺仪及加速度计的输出即可解算出加速度计的标度因数。分析了标定原理,建立了标定模型,推导了误差系数的分离算法。通过地面试验验证了方法的有效性。     

基于模糊控制的焊接机器人焊枪姿态规划

针对骑座式相贯线焊接机器人焊枪姿态的规划问题,提出了一种基于模糊控制的算法.以焊缝倾角、焊缝转角、坡口大小、被贯筒体厚度和相贯筒体厚度为输入变量,以焊接行走角和工作角为输出变量,建立多输入多输出系统模糊控制器;推导出各输入变量的隶属度函数;采用经验归纳法设计模糊控制规则,建立了相应的控制规则表;最后规划出焊枪的工作角和行走角.对不同的相贯筒体直径进行了仿真,结果表明,采用加权模糊专家系统对骑座式相贯线焊接机器人焊枪的工作角和行走角进行规划,可以有效的完成焊接过程焊枪的姿态控制.