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已成为研究热点。从多环谐振陀螺的基本结构出发,通过理论研究,发现影响机械灵敏度和机械热噪声的主要结构参数为陀螺的谐振频率、有效质量、角度增益以及品质因子。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其他陀螺器件的研究中。     

环形科氏力振动陀螺发展情况概述

MEMS科氏力振动陀螺具有体积小、质量小、功耗低的优势,在高精度姿态控制、短时智能设备导航等领域具有广泛的应用前景。其中,零偏不稳定性优于0.1(°)/h的高性能MEMS陀螺是该领域的重要研究方向。目前,以环形拓扑结构为代表的科氏力振动陀螺成为该领域的主流技术方案之一。回顾了环形科氏力振动陀螺的发展历程,综述了近几年国内外研究机构围绕该类型陀螺开展的研究热点,总结了该类型陀螺的性能优势与面临的挑战,整理了该类型陀螺潜在的发展方向,为国内外同行开展该类型陀螺结构科学研究,提高MEMS科氏力振动陀螺性能提供了参考和借鉴。     

多弱连接扇形超流体干涉栅陀螺的性能分析

针对传统超流体干涉栅陀螺中梯度热相位的引入使得角速度信息被无用信息淹没而不易提取的突出问题,提出了一种无梯度热相位的多弱连接扇形超流体干涉栅陀螺结构,并对该陀螺的精度和灵敏度性能进行了深入的研究。首先在明晰了干涉栅结构中梯度热相位形成机理的基础上,设计了无梯度热相位且相邻干涉环路面积相等的新型干涉栅陀螺结构。其次建立了该陀螺的数学模型,验证了陀螺敏感角速度的过程。最后对该系统的角速度检测范围和灵敏度进行了深入分析,探究了敏感面积、薄膜面积、约瑟夫森频率、微孔数目和弱连接数对超流体干涉栅陀螺检测角速度的影响,通过仿真对比分析,验证了该结构陀螺的超高精度、超高灵敏度性能。     

类蛛网状盘式谐振微陀螺的抗冲击性能与结构误差仿真分析

具有导航级潜能的盘式谐振微陀螺是国际研究最热门的一类微机械陀螺,在此基础上设计了一款频率裂解小的类蛛网状盘式谐振微陀螺。通过有限元仿真软件进行了模态分析和冲击分析,仿真结果表明类蛛网状盘式谐振微陀螺工作模态与寄生模态最小频差为3.9kHz,可承受的冲击载荷加速度高达25000g。此外,开展了晶向误差和工艺误差等结构误差对频率裂解影响的仿真研究,结果表明,其比圆环状盘式谐振陀螺在频率裂解上具有更低的结构误差敏感度。综上说明该结构能有效抑制寄生模态干扰、抗冲击性能强且结构误差鲁棒性好,具有较好的发展前景。     

陀螺组件结构动态特性分析和减振设计

针对惯性姿态敏感器陀螺组件结构设计中出现的随机振动响应量级过大的问题进行分析研究.建立了陀螺组件结构的动力学模型,通过安装金属橡胶减振器并在结构中合理布置高阻尼比的阻尼材料综合解决陀螺头部振动响应过大的问题.对结构设计方案进行数值仿真和振动试验,结果表明,金属橡胶减振器和约束阻尼结构的应用能有效降低陀螺头部的高频响应,保证了陀螺仪在发射段环境条件下的可靠性.     

磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究

作为新型航天器姿态机动执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)长时间工作在高真空环境下且高速转子完全悬浮,散热条件差,系统温度过高,导致陀螺组件产生较大的热应力,降低了陀螺结构部件的强度。为减小温度场对陀螺结构部件强度的影响,提高陀螺结构的可靠性,采用有限元法计算出磁悬浮控制力矩陀螺工作状态下的温度场,并基于温度场分析陀螺结构部件的应力分布情况,明确温度场对陀螺结构部件力学性能产生的影响。建立了陀螺热网络模型,根据热网络模型与热网络方程分析热量传递路径及温度影响因素,并提出相应的优化措施。经优化,定子组件最高温度从66.5℃降至49℃,转子组件最高温度从91.7℃降至76.9℃。陀螺定子组件的强度安全系数由1.52提升为1.73,提高了13.8%,陀螺转子组件的强度安全系数由1.32提升为1.56,提高了18.2%。      

数值模拟激光测振在光纤陀螺设计中的应用

应用有限元单元法对光纤陀螺结构进行了振动摸态仿真,利用Polytec-PS200激光测振仪实现了陀螺的高精度测振.发现振动环境中结构的共振是影响陀螺精度的主要因素之一.验证了合理的结构可有效地提高光纤陀螺在振动环境中的精度——优化后的陀螺在相同振动环境中零漂减小了65％.      

基于System Generator建模的微半球陀螺数字化测控电路设计

随着对于惯性测量单元精确度的要求不断提升,针对于陀螺仪测控电路的要求也逐步提高。首先介绍了微半球谐振陀螺的结构与工作原理,然后对其测控电路工作原理进行了介绍。之后通过System Generator建模设计出微陀螺的闭环控制与检测电路方案,搭建微陀螺的电路系统,完成微陀螺的性能测试,为微陀螺的测控电路领域的研究提供参考和支持。     

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。     

直升机光纤陀螺IMU抗振设计及实时滤波方法

振动引起光纤陀螺(FOG, Fiber Optic Gyroscope)零偏误差,非线性、非高斯随机噪声及由其组成的惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit)非互易性解算误差,针对直升机航向姿态测量误差问题,提出了一种FOG IMU的机械减振与数据滤波相结合的振动抑制方法,建立了FOG IMU减振装置数学模型,通过优化设计实现线、角运动通道振动解耦,从物理上消除外界高频干扰振动源;研究实时小运算量、低时延数据滤波方法,抑制减振装置谐振干扰和惯性器件噪声,进而减小捷联解算非互易性误差.实验结果表明:采用该方法能有效地抑制外界干扰振动和系统噪声,保证FOG IMU工作稳定性和精度,为研制应用于直升机的高性能航姿导航信息与航向姿态参考系统奠定基础.     

数字闭环光纤陀螺振动误差分析

光纤陀螺的振动误差直接影响其使用精度.为解决振动问题,分析了陀螺振动特性的主要误差源.推导了闭环光纤陀螺光功率和输出关系的表达式,得出了光纤缺陷以及光纤、器件尾纤受振动产生寄生应力导致传输光偏振性能和光强变化是引起振动误差的根本原因的结论;对陀螺振动性能受结构谐振的影响进行了有限元分析和试验验证;提出了改善光纤陀螺振动性能的具体措施,包括光纤环及尾纤固化工艺、优化结构设计以及改进闭环控制.结果表明,经改进后的陀螺,振动条件下其动态精度接近静态指标,满足使用要求.      

一种柔性铰链对铰接板振动特性影响试验研究

针对用于连接小型航天器和太阳能帆板的一种弹簧刚度可调的柔性铰链,研究铰链刚度和铰链转动副的摩擦与铰接结构中阻尼对柔性铰接板系统振动响应的影响.首先,建立了压电柔性铰接柔性板试验平台,采用压电片传感器和激光位移传感器检测,压电片驱动器用于持续激励振动.然后,在柔性铰链扭转刚度不同的情况下,分别进行了外部激励和持续压电驱动器激励的柔性铰接板振动模态分析的实验研究.实验结果分析表明,柔性铰链的刚度和旋转副摩擦阻尼因素,会影响柔性铰接板系统的基频振动固有频率和阻尼比.实验研究结果为分析柔性铰接板的铰链影响特性提供参考.     

旋转式光纤陀螺惯导系统随机误差抑制技术

采用旋转调制技术能够有效降低陀螺常值漂移和加速度计常值零偏对导航系统精度的影响,但其对陀螺随机漂移和噪声几乎没有抑制作用.惯导系统在随机干扰的作用下输出误差将发散,影响系统长时间的导航定位能力.通过对抑制随机干扰误差的阻尼技术进行研究,提出一种具有阻尼特性的旋转式光纤陀螺惯导系统,利用阻尼技术抑制随机干扰对导航系统精度的影响.从仿真结果可以看出,具有阻尼特性的单轴旋转光纤陀螺惯导系统精度提高1倍以上.当系统采用更高精度的惯性仪表时,随机误差的阻尼抑制效果将更明显.     

摆式陀螺罗盘的运动特性及其分析

从陀螺力学的经典理论出发,建立了摆式陀螺罗盘的力学模型,推导出了具有重力约束的二自由度陀螺的运动方程,以此为基础,分析了摆式陀螺罗盘在阻尼及干扰条件下的运动,给出了干扰对摆式陀螺罗盘的影响的函数表达。     

柔性隔振结构影响下控制力矩陀螺的动力学建模与仿真#br#

近年来,控制力矩陀螺逐渐广泛应用于航天器姿态控制中.为了减小动量轮的高速旋转引起的振动对星体的影响,需要在控制力矩陀螺于航天器之间安装隔振装置.但是隔振装置的引入对控制力矩陀螺内部机构的动力学特性造成了影响.基于此,本文建立了柔性隔振机构耦合作用下的控制力矩陀螺动力学模型.本文通过欧拉角变换建立了陀螺内部各机构的运动学关系,使用能量方法建立了陀螺内部各结构的动力学特性.并在Matlab中进行了数值仿真与分析.通过仿真发现了隔振结构对陀螺的输出力矩产生了影响,在柔性支撑下的陀螺力矩存在明显波动,且波动范围随动量轮转速的增加而增加.同时,柔性隔振机构的引入还导致了干扰力矩的产生,该干扰力矩对控制力矩陀螺框架电机的控制存在较大影响.     

基于谐波平衡法的微振动被动控制动力学研究

为了探究航天器被动隔振系统参数对隔振效果的影响,用变形的三次多项式函数描述粘弹性隔振器的非线性刚度,用分数导数阶算子表征隔振器的阻尼特性,建立了微重力状态下被动隔振系统非线性动力学模型,用谐波平衡法对动力学微分方程进行求解,计算隔振系统的振动传递率,然后探讨了隔振器以及隔振对象的刚度、阻尼、质量对隔振效果的影响。研究结果表明,隔振器非线性阻尼项对系统隔振效果影响很大,被隔振对象的质量对隔振系统共振峰值的影响与非线性阻尼系数的大小密切相关。     

柔性冗余度机器人振动控制的一种方法

对于柔性机器人而言,如何尽快抑制其结构柔性所引起的振动是十分重要的.本文对柔性冗余度机器人振动的控制问题的原理与策略进行了研究.把阻尼的主动控制思想应用于机器人振动的控制中,并给出了相应的最优控制方法.这种方法通过优化机器人的自运动实现外部能量的输入以提高系统的阻尼,使振动迅速衰减.此外,对这种控制方法的实现进行了讨论.最后对一个末杆为柔杆的平面三杆机械手振动的控制进行了仿真,结果验证了方法的有效性.      

一种基于变刚度原理的新型隔振器设计

根据变刚度原理,吸收橡胶隔振器高阻尼和金属弹簧隔振器高承载力的优点,采用新型材料,设计了一种由特形弹性元件以及弹性阻尼限幅装置组合而成的复合结构隔振器．该隔振器承受载荷能力大、压缩量小、阻尼大,并且散热快、寿命长、受环境因素影响小．理论分析及试验结果表明,该隔振器可以较好地隔离振动,并且隔振性能稳定．     

一种基于变刚度原理的新型隔振器设计

根据变刚度原理,吸收橡胶隔振器高阻尼和金属弹簧隔振器高承载力的优点,采用新型材料,设计了一种由特形弹性元件以及弹性阻尼限幅装置组合而成的复合结构隔振器.该隔振器承受载荷能力大、压缩量小、阻尼大,并且散热快、寿命长、受环境因素影响小.理论分析及试验结果表明,该隔振器可以较好地隔离振动,并且隔振性能稳定.