一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺

介绍了一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺.该陀螺的特点是陀螺本身不包含驱动结构,利用旋转载体自旋作为驱动,陀螺输出信号中包含旋转载体自旋、偏航和俯仰角速率信息.根据陀螺的结构和工作原理,建立了陀螺的运动学方程.针对陀螺信号的特点,给出了从陀螺信号中同时解调旋转载体自旋、偏航和俯仰的角速率的算法,以及消除旋转载体自旋角速率变化对陀螺标度因数变化的算法.实验证明了解理论分析和算法的可行性.     

利用MEMS综合微加工方法实现的非全硅微陀螺技术

本文的主要内容包括(1)简要介绍了硅微型陀螺仪的分类及其基本工作原理,包括硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪、振动轮式微机械陀螺仪、硅微型框架驱动式陀螺仪.(2)详细介绍了以微陀螺为核心的微型惯性测量系统的组成,在应用中的关键技术,主要问题及解决途径,并展望了微型惯性测量系统的发展前景.(3)提出了利用MEMS综合微加工方法实现的非全硅微陀螺技术.     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.     

硅微机械谐振陀螺仪结构优化设计

介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,给出了陀螺仪标度因数的表达式,分析了陀螺仪驱动模态的最大振幅、陀螺质量块结构参数、杠杆、DETF结构参数对标度因数的影响,优化了结构设计.利用有限元分析软件ANSYS对陀螺仪的结构进行了仿真,并制作了原理样机.     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

重力加速度计在硅微机械陀螺信号解调中的应用

硅微机械陀螺的一个重要应用是获取旋转载体的偏转方向,获取准确的旋转载体的自旋频率可以提高其解算精度.由于陀螺自身信号耦合了旋转载体做圆锥运动的频率,用其测得的自旋频率就包含了圆锥运动的频率.试验仿真了旋转载体在空间中做圆锥运动时不会对重力加速度计信号的频率产生调制作用,因此可以用重力加速度计测旋转载体的自旋频率,相对误差仅为1.25%;以地面作为参考坐标系,重力加速度计信号为参照信号,比较陀螺信号和重力加速度计信号的相位差,再减去相位差中含有的滞后值,进而可以计算旋转载体在空间中实际偏转方向.重力加速度计信号还可以确定旋转载体的舵相对地面坐标系的旋转角度.     

电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析

提出了一种静电梳齿驱动、电容检测的微机械陀螺仪,分析了其工作原理。同时,通过陀螺进行了必要的仿真和相关的分析计算,并根据加工工艺的要求,得到合理的结构。采用体硅标准工艺设计了陀螺的工艺版图,对其进行了封装分析。     

双质量硅微陀螺仪驱动模态测试

考虑双线振动双质量硅微陀螺仪环境适应性强且两个质量块的差动输出能够有效消除共模干扰的影响,提出了一种新型双质量陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动模态进行了理论分析,并提出了简化的动力学方程。利用ANSYS有限元软件对陀螺的驱动模态进行了数值仿真,并对陀螺仪样品进行了电路测试。通过几种不同的加载方式,分别得到了相应的仿真和测试的幅频曲线,结果表明,仿真和实验结果与理论分析完全一致,且双边驱动方式要优于单边驱动方式,反向驱动方式可以使陀螺仪在工作模态运动。仿真和实验结果验证了双质量硅微陀螺的驱动模态特性。     

脉冲密度反馈对力平衡微机械陀螺的影响

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑△调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路.首先,根据微机械陀螺敏感模态的等效形式,分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分,且负刚度效应与输入角速度无关.然后,根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系.最后,利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数,理论计算了所需的反馈脉冲高电平,并在Simulink中进行了仿真.仿真结果表明,所选参数满足了设计指标,且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下,仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07％和5.12％.对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验,结果表明,脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化;得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9％和4.8％,实验与仿真结果符合得到较好.     

磁悬浮转子微陀螺的设计技术

磁悬浮转子微陀螺利用电磁涡流实现微转子的悬浮支撑和高速旋转,是一种精度可达惯性级的新颖MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺.讨论和研究了这种新颖微陀螺的悬浮支撑、高速转动、位置检测及加矩稳定的原理,并给出了相应的微转子、定子悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈、传感电极的设计原则和方法.设计了一个转子直径2 200μm、厚度25 μm,定子线圈线宽10μm、厚度5μm,悬浮励磁频率10 MHz、旋转励磁频率2 MHz的微陀螺,解决了三维非硅准LiGA技术加工微陀螺中的引线、绝缘、摩擦柱成型问题,并进行了相关的陀螺悬浮旋转试验,该陀螺在空气环境下能够以1000 r/min旋转,悬浮高度200μm,说明这种陀螺的原理和设计方法是可行的.     

微型压电陶瓷棒角速率陀螺设计

研制了基于微型压电陶瓷棒结构代替双敏感梁结构及压电陶瓷片的微型角速率陀螺,并设计了相敏检波电路。首先采用易于加工成高精度的微型陶瓷棒作为敏感体,在其上印刷成六个带状电极并予以极化构成三副电极对,然后设计了封装及相敏检波电路,从而有效地减小了敏感结构的尺寸,提高了其加工精度,实现了角速率陀螺微型化。标定结果表明,该角速率陀螺线性度好,相关系数为0.9996;精度高,标准误差为0.0036。     

Modeling and compensation of MEMS gyroscope output data based on support vector machine

The modeling and compensation method of the angular rate error of MEMS gyro MG31-300, based on support vector machine, is described in this paper. Reference angular rates were generated by the single-axis rate turntable. The output data of MG31-300 under different input angular rates were collected and analyzed. Considering the nonlinear and random characteristics of the angular rate error, the support vector machine model is established, which uses the output voltage of gyro as the input and provides angular rate error as the output. The resolution of the angular rate error is improved by this modeling method. The result shows that the fitting error of the model was 0.0701°/s (1σ). Finally, within MG31-300 measuring range (−300°/s to 300°/s), some testing points besides the training samples were selected to testify and verify the model. The results indicate that, the support vector machine model has high precision and good generalization ability.     

振弦式陀螺频率检测结构设计与振动分析

针对微陀螺高精度和微型化的发展趋势,依据振弦式陀螺的工作原理建立了振弦式陀螺频率检测数学模型;应用ANSYS软件分析了陀螺检测结构参数影响,优化了振弦式陀螺整体结构并建立了振动响应仿真分析。结果表明振弦式陀螺驱动结构振动响应随着驱动力的增大,驱动响应位移量也随之增大,且驱动力与位移量之间具有很好的线性关系,可以很好地控制振弦式陀螺框架驱动力,优化振弦式陀螺结构尺寸,从而验证了振弦式陀螺电磁驱动与频率检测方案模型的可行性。     

磁流体动力学陀螺仪的结构设计与实验研究

磁流体动力学陀螺仪不存在传统陀螺仪的机械磨损和光学陀螺仪寿命易受光学器件制约的缺点,因而具有高精度、宽频带、长寿命的特点,此外还具有抗冲击、体积小、重量轻等综合性能。该传感器不但在惯性导航中表现优异,同时在卫星微角振动测量及寻北等领域也具有广阔的应用前景。通过对磁流体动力学陀螺仪基本工作原理进行简要分析,对简化模型进行了推导,并提出一种磁流体动力学陀螺仪的结构设计方法;对磁路进行仿真,获得工作间隙处磁感应强度分布,并代入磁流体仿真环节;对流动进行仿真,同时对样机进行标定实验,可得出标定过程的仿真与实验间差值的平方和均值的开方为5.69 m V,非线性度为0.6%,表明通过研究导电流体的流动过程进而分析该陀螺仪的性能是十分必要的,并证明了磁流体动力学陀螺仪具有良好的发展前景。     

应用Kalman滤波器提高机抖激光陀螺姿态测量系统瞬时精度的方法

机械抖动激光陀螺输出的原始数据不仅包含了外界的惯性输入的角速率信息,还包含了抖动信号的角速率信息,通常使用线性相位FIR滤波器去除机械抖动信号,信号经滤波后其所有频率成分都将产生一定时间的延迟,这将对由机抖陀螺组成的高精度实时姿态测量系统造成影响.本文提出了一种基于姿态角运动跟踪预测模型和Kalman预测的姿态测量滤波延迟补偿方法.实验结果表明,本方法能有效估计并预测运动载体的姿态运动,补偿由于FIR滤波器时间延迟带来的不利影响,提高姿态测量系统的实时性和瞬时精度.     

新型陀螺经纬仪的研究与应用

根据陀螺理论的基本规律及陀螺运动特性,建立陀螺元件的力学模型进行定量结果的分析,得出高速旋转的陀螺转子在地球自转角速度影响下的运动规律;通过先进的CCD光电测控技术对其进行采样和数学计算,从而得出被测点子午线的真北方向,实现系统的定向过程;通过经纬仪实施对导弹的瞄准,确定待发射导弹的坐标方位角,使定向和瞄准一体化,为新一代采取机动发射的武器系统提供一种新颖的陀螺经纬仪结构方案。该系统具有成本低、精度高、作业时间短等优点。特别适合军事领域应用的需要。     

全角半球谐振陀螺控制回路的动态特性研究

全角半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的速率积分陀螺。 针对全角半球谐振陀螺闭环控制回路的系统带 宽问题,分析了全角半球谐振陀螺的工作原理,分别建立了全角半球谐振陀螺的输入-输出控制回路模型和扰动-输出控制回路 模型。 利用 SIMULINK 工具箱对两种模型进行了搭建和仿真研究,分析了两种控制回路的动态特性,最后进行了全角半球谐振 陀螺的转台实验。 仿真结果显示:外界输入角速度超过 532. 8°/ s 后,扰动信号导致的输出量波动达到最大且保持恒定,此时控 制回路的带宽为 1. 48 Hz。 仿真和实验结果表明:全角半球谐振陀螺控制回路的带宽过低会导致扰动信号引起椭圆参数的波 动,控制效果变差,且扰动信号频率与外界输入转速成正比,当外界输入转速超越控制回路截止频率的对应转速后,椭圆参数的 波动幅值趋于稳定。 本文的研究成果为全角半球谐振陀螺的动态性能分析提供了理论基础。     

水平陀螺结构独轮自平衡机器人研究

提出了一种新型独轮机器人。该独轮自平衡机器人具有单一水平陀螺结构,首先利用陀螺的定轴性和稳定性使一个二维倒立不稳定系统变为一个二维准稳定系统,然后根据进动原理,采用旋转配重法对系统进行失衡修正,使系统具有很强的抗扰动能力。重点研究了该独轮机器人姿态的失衡与恢复状态。实验模型机实现了独轮机器人的定点自稳定,姿态失衡恢复,以及行走、转向功能。     

高机动雷达自动定向技术实际应用中的问题研究

介绍陀螺定向装置的工作原理和雷达自动修正天线指向的技术,研究自动定向技术在高机动雷达实际使用中的问题,就目前我们国家现有用于工程化的陀螺定向装置的原理和技术现状进行分析,阐述了陀螺定向装置如何应用在高机动雷达上并且如何标定其安装基准,并提出相应的解决方法。     

二维观瞄仪稳定平台控制系统设计与仿真

针对二维观瞄仪稳定平台采用由速率陀螺构成的单速度环伺服控制的不足,提出了采用以直流测速机为测量反馈元件构成模拟内环,利用陀螺的“空间测速机”功能组成数字稳定外环的双速度环串级控制结构。设计并实现了速度稳定环的抗摩擦力矩干扰功能和隔离载体扰动功能。建立了系统模型并在Matlab中对控制效果进行了验证。研究结果表明,该方法能够明显减小载体扰动造成的误差,有效地隔离载体扰动,其控制性能良好。