半球谐振陀螺调平技术发展综述

半球谐振陀螺是一种新型的固态波动陀螺，具有精度高、体积小、寿命长、功耗低等优点。谐振子的品质因数高低和不平衡质量大小直接决定了半球谐振陀螺的性能，因此，不平衡质量的辨识和调平是提高谐振陀螺性能的关键。首先，介绍了六种不同的刚性轴方位和不平衡质量辨识方法和系统，分析对比了每种方法的优缺点；其次，对谐振子的调平理论进行了归纳，进而对机械调平、化学调平、激光调平和离子束调平的研究现状和特点进行了梳理和归纳；最后对半球谐振陀螺调平技术的发展作了简要评述。     

半球谐振陀螺的结构参数对工作模态以及进动系数的影响

为实现高性能的半球谐振子结构设计，文章针对半球谐振陀螺的结构参数对其工作模态频率、模态频率位阶以及进动系数的影响做了相关研究。在对陀螺进动系数计算理论研究基础上，对半球谐振陀螺的进动因子进行了有限元仿真计算；接着对具有不同结构参数的半球谐振子进行了模态仿真分析，发现在半球谐振子设计过程中，当球壳厚度和支撑柱半径之比小于1/3时，能够将陀螺的工作模态设置于最容易激发的第1和第2阶模态，大大提高了陀螺敏感特性。同时，能够极大拉开工作模态与干扰模态之间的频差，仿真结果最大拉开了2760.8Hz。最后，仿真结果表明半球谐振陀螺的进动系数受到结构变化而产生的波动非常小，进动系数的波动维持在0.27~0.28范围内。     

通过全局时间管理减少半球谐振陀螺组合角增量误差的方法

随着对姿态控制精度的日益提高,卫星对惯性单机的输出精度和误差控制的要求也在逐步提升。提出了半球谐振陀螺组合全局时间管理方案,陀螺仪数据生成时标志上的时间戳,可以有效地降低并量化半球谐振陀螺组合输出的角增量与系统控制之间的时延误差,提高上级系统的角速度精度。     

半球谐振陀螺振子耦合振动的近似解析分析

半球壳是新型半球谐振陀螺的敏感部件。有效地隔离谐振子有害的耦合振动对于保证陀螺性能的可靠、稳定具有十分重要的工程价值。本文在研究半球壳谐振子支承杆结构振动的基础上，采用瑞利－里兹法，对结构特性最佳的Ψ型谐振子最低阶耦合振动进行了分析，给出了谐振子有关参数设计的近似解析工程用方程，对于研制半球谐振陀螺有实际应用价值。     

基于电子束蒸发沉积的曲面纳米薄膜均匀性研究

半球谐振子金属化是半球谐振陀螺研制过程中的重要环节，针对半球表面薄膜制备均匀性难以实现的问题，提出了一种将薄膜沉积实验和光学模拟相结合的方法。本文采用电子束蒸发技术在半球上沉积Au薄膜，利用台阶仪测量球面上不同位点的薄膜厚度，将平面上的膜厚等效为半球曲面上的膜厚，研究球面薄膜的均匀性，得出了在半球内外表面上薄膜的膜厚分布；同时对薄膜沉积均匀性进行光学模拟，将半球探测器上辐照度等效为实验中沉积所得到的薄膜厚度，计算得出的半球探测器上辐照度分布与实验测量结果一致性较好，可为半球谐振子纳米薄膜的均匀性制备提供理论基础。     

基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法

半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角是影响陀螺性能指标的核心因素。提出了一种基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法，采用压电激振台扫频激振，多普勒激光测振仪检测谐振子的幅频响应特性，通过幅频响应特性曲线分析实现频率裂解与固有刚度轴方位角的测定。对该方法进行了理论分析，搭建了实验装置，并对半球谐振子进行了测试，结果表明：该方法频率裂解测量精度优于0.01Hz，固有频率主轴方位角确定精度优于±1.17°，具有良好的可行性，在半球谐振陀螺研制方面具有良好的参考意义。     

半球谐振陀螺装配技术的发展现状及趋势

目前半球谐振陀螺装配过程中存在着装配精度低、一致性差、成品率低等问题，半球谐振陀螺装配技术的短板制约半球谐振陀螺性能指标提升、高合格率和批量化生产。文章通过调研半球谐振陀螺产品研究现状，分析了影响半球谐振陀螺精度的因素，阐述了在半球谐振陀螺的装配过程中亟需突破的关键技术，包括面向装配的几何误差建模、无损柔性夹持技术、铟焊低应力连接装配工艺、非平行板电容精密检测等关键技术，并对半球谐振陀螺装配技术的发展趋势进行展望。     

半球谐振陀螺阻尼不均匀误差补偿方法

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，全角模式下具有低噪声、高带宽和大动态范围，并且可以直接读取角度信号，具有良好的应用前景。针对全角模式下的主要误差来源——阻尼不均匀项，在二维谐振子振动模型的基础上，简要介绍了Lynch平均法，结合驻波进动方程，重点梳理了“四力控制”法、方位角自适应补偿法和“虚拟旋转”法等误差补偿方法，并对各补偿方法进行了总结，最后对半球谐振陀螺误差补偿技术的发展趋势进行了展望。     

半球谐振子疲劳寿命分析与仿真

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口，采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于昂贵，因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振子的疲劳寿命进行分析。文章通过半球谐振陀螺应力分析，采用ANSYS软件对熔融石英半球谐振子进行应力分析仿真，确定因残余应力所引起的疲劳危险部位，并在疲劳部位进行裂纹扩展分析，得到 、 和 型应力强度因子，以使在半球谐振子结构设计和使用过程中对易疲劳的部位进行有效监控和预防。     

高精度石英半球裸振子微应力制造

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件，其质量直接决定了陀螺的性能精度，以高纯石英材料制成的半球谐振子已得到业界的广泛认可，但加工难度较高。半球裸振子是半球谐振子的未完全加工态，其加工表面残余应力的大小决定了谐振Q值、频差Δf等参数，进而影响谐振性能。文章就石英半球裸振子的微应力制造技术方法和技术特点进行了分析和讨论，以及采用飞秒激光加工设备实现石英半球裸振子微应力制造，飞秒激光加工具有速度快、热变形小、非接触、微应力等优势，用于半球谐振子加工能够明显改善加工效率、成本和表面应力状态，采用飞秒激光加工为高精度石英半球裸振子的加工提供新实现途径。     

带VSCMGs的航天器姿态稳定及功率补偿控制

基于变速控制力矩陀螺群动力学模型建立其复合控制方程和分系统解耦约束方程,用矩阵投影方法同步设计得到航天器姿态与能量一体控制复合操纵律,利用Lyapunov方法分析了转子轴向惯量误差对姿态控制分系统的影响.根据飞轮转子轴向惯量与功率输出之间的误差关系设计出功率控制补偿器.复合操纵律中的力矩和功率两解形式相同,约束方程使得姿态与能量控制两分系统解耦,便于进行考虑执行机构特性的闭环控制系统性能分析.考虑飞轮转子轴向惯量误差时,姿态控制分系统的输出耗散特性使其能够保持稳定,而功率控制分系统输出误差与转子轴向惯量误差成比例关系,经过补偿后功率输出能满足控制要求.     

磁悬浮敏感陀螺动力学建模与关键误差源分析

基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺（MSSG）动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析了转子微小平移与偏转对转子力学状态的影响机理,利用ANSYS软件得出的有限元仿真结果与模型计算结果基本吻合。在此基础上,从理论上对转子非球形误差和洛伦兹力磁轴承误差2种主要误差源进行了初步分析,给出了干扰力矩解析表达式。计算表明:转子非球形和洛伦兹力磁轴承中磁场分布不均是导致测量误差产生的主要因素。模型的构建可为磁悬浮敏感陀螺的优化设计与分析提供有效理论依据。      

半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型

为研究三自由度比力作用下半球型动压气浮轴承气膜变形对平台惯导中三浮陀螺仪输出的影响,提出了一种通过求解Reynolds方程来计算陀螺仪静态误差的数学模型。首先,在考虑气体稀薄效应条件下,针对三浮陀螺仪中的半球型动压气浮轴承给出对应的Reynolds润滑方程;然后,用有限差分法求解气膜压力场,并利用得到的载荷与转子位移计算陀螺仪静态误差;最终,通过回归分析,得到半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型。为简化回归分析的过程,引入干扰力矩与比力的周向夹角和径向干扰力矩作为中间参数,将三元回归分析问题转化为二元回归分析问题。计算结果表明:径向干扰力矩随着轴向比力的增大而增大,随着径向比力的增大呈现先增大后减小的趋势;干扰力矩在周向上超前比力1.35~1.55 rad。本文静态误差模型可预测300 m/s2以内任意方向比力作用下由转子位移所引起的陀螺仪静态误差。      

动基座条件下舰载机快速传递对准方法研究

为了研究海况与航母机动方式对舰载机捷联惯导快速传递对准的影响,以姿态误差角为研究对象,建立了惯导系统的比力方程和姿态微分方程。从误差传播机理出发,详细推导了速度匹配和速度加姿态匹配的误差模型,然后用卡尔曼滤波算法进行仿真分析。仿真结果表明,航母有一定摇摆幅度更有利于舰载机进行速度匹配或速度加姿态匹配;典型海况条件下,航母的机动方式对速度匹配传递对准方式影响较为明显。     

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先，从多体动力学出发，以某盒式倾转旋翼无人机为算例，将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次，通过不同刚体质心间的位移约束，建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵，以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后，分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致，验证了所提建模方法的合理性；在倾转旋翼转速不变的情况下，倾转过程所用时间越长，无人机掉高越少，轨迹越光滑，但输入能量越多，具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。      

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

应变式测力传感器动态测量误差的运算法补偿研究

研究了应变式测力传感器的动态测量误差来源，直接根据测力传感器的输入－输出微分方程式，建立起补偿传感器动态测量误差的差分方程以及由计算机实现的补偿算法。计算机对传感器输出的模拟信号进行采样后，对所得到的相应数字量进行补偿运算，得到消除了动态误差的动态力测量结果。     

基于挂钩力模型的拖挂式房车同步制动控制

为了提升拖挂式房车制动时牵引车与房车的制动同步性能,结合纵向挂钩力观测器提出一种制动协调控制方法。分析牵引车-房车直线制动运动学特性,考虑电磁制动器机电耦合特性以及球头挂钩柔性连接特性,建立牵引车-房车直线协调制动模型;采用牵引车速度/加速度等低成本传感器所获得的信号数据,基于卡尔曼滤波算法,设计了拖挂式房车纵向挂钩力估计器;引入终端滑模变结构控制算法,建立纵向挂钩力估计值与目标值误差动力学方程,使纵向挂钩力准确跟随目标值,并在此基础上开发了拖挂式房车制动同步控制器。仿真和实车测试结果均表明,所提出的估计方案能准确跟踪拖挂式房车的纵向挂钩力;与其他常规方法相比,所采用的控制方法使得牵引车与房车在制动期间最大挂钩力值小于3 kN,有效保证两者制动的稳定性。