微机械陀螺测量旋转体自旋频率的机理分析

阐明了所研制的微机械陀螺可用于检测旋转体的自旋频率.首先,根据微机械陀螺结构特点和工作原理得出陀螺输出信号的频率取决螺敏感轴和偏转方向之间夹角的变化,进而得到微机械陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率之间的关系.其次,在旋转体处于恒值运动、角振动运动、圆周运动和椭圆运动等四种基本运动形式下,分别建立了陀螺测量旋转体自旋频率的数学模型,并采用加速度计输出为基准信号,推导出陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率、运动形式、运动频率、运动方向之间的关系.最后,利用三轴转台模拟旋转体的四种运动形式,并将陀螺输出信号和加速计输出信号进行频谱分析.试验结果表明,理论分析与试验结果相吻合,该微机械陀螺可用于测量旋转体自旋频率.     

自旋导弹捷联式陀螺/地磁姿态测量方法

为了解决自旋导弹姿态测量遇到的高自旋角速率超过陀螺量程的问题,提出了一种利用敏感轴垂直于弹轴的双轴微陀螺与三轴地磁传感器组合测量解算自旋导弹姿态的方法.首先,建立了利用三轴地磁场传感器与双轴微陀螺进行姿态测量的解算模型,该模型利用双轴陀螺测得的载体弹轴垂直面的角速度提供俯仰角的微分,结合三轴地磁场传感器的输出解算出当前载体的姿态;接着讨论了模型解算中出现的增根的问题与正确解的判断方法;最后在传感器输出附加白噪声与弹体摆动条件下对该方法进行了仿真,得出在100 s的时间内,1800(o)/s的自旋角速度条件下姿态解算误差角为2°.仿真结果表明该方法可以直接解算三个姿态角均为动态变化的自旋弹的姿态角,因此可用于自旋导弹的姿态测量.     

基于扫频振动环境的燃气陀螺仪动态漂移控制技术

燃气陀螺仪是一种依靠火药燃气驱动的陀螺本体为机械框架式结构的惯性陀螺仪,它能够准确地测出弹体在飞行过程中随时间变化的姿态角,是弹体控制回路中的关键测量部件,其在不同振动环境中的漂移控制技术对制导武器弹体姿态的准确测量非常重要。本文利用欧拉方法,推导了陀螺仪的测量原理和漂移产生机理,分析了摩擦力矩、不平衡力矩,以及弹体环境施加的外力矩对陀螺漂移度的影响,并设计燃气陀螺仪的扫频振动试验找到陀螺对外加力矩的敏感频率。试验结果表明,在敏感频率400～800Hz范围内,通过改善弹体安装环境,可将陀螺仪漂移从大于3°减少至0.5°范围内。该方案具有较高的工程实用价值。     

无驱动结构硅微机械陀螺冲击响应信号分析

介绍了一种用于旋转飞行器单通道控制的无驱动结构硅微机械陀螺.陀螺利用旋转飞行器的滚转作为驱动,敏感任意方向的横向角速度.在陀螺冲击试验中,陀螺冲击响应信号的幅度和宽度较大.在实际应用中,幅度超过1.5 V、宽度超过100 ms的冲击响应信号有能力阻塞旋转飞行器控制信号通道,影响旋转飞行器正常飞行.对陀螺冲击响应信号产生的原因进行了分析,分析表明,由于陀螺摆片偏心,陀螺在受到厚度方向的冲击时摆片绕扭转梁发生了偏摆.提出了通过增加陀螺扭转梁厚度的方法,减小陀螺在单位冲击加速度下的摆角幅度.通过实验证明,如果陀螺扭转梁增厚从48 μm增加到75 μm,陀螺冲击响应信号的幅度和宽度将减小约18倍.     

基于导弹舵面信息的惯导姿态角速率滤波方法

针对导弹武器中低精度惯导系统陀螺所测量的弹体姿态角速率误差较大的问题,提出了利用导弹控制舵面信息与弹体姿态角的动力学关系构建滤波方程的方法,其相对于常用的低通滤波器能够更加精确地反映出姿态角的变化趋势.此外为降低采用EKF和UKF等非线性滤波方法所带来的计算复杂度,仿真中通过构造交错卡尔曼滤波器实现了对非线性系统的伪线性化.最后通过对某型低精度惯组在三轴姿态转台上的半实物仿真实验,该滤波算法将实测的惯导姿态角速率误差降低了40%以上.     

基于参数激励的MEMS陀螺电馈通抑制方法

由于硅微陀螺仪材料和加工工艺以及电路上的非理想因素,驱动信号会对敏感检测端产生串扰。为抑制此种串扰,降低驱动激励幅度,采用了基于参数激励法的陀螺驱动模态激励系统。在锁相环控制中新增一个压控振荡器模块,用于输出稳幅的二倍谐振频率激励信号,即参数激励信号。将此信号与驱动激励信号一同对驱动激励电极进行激励,达到了降低刚度系数来减小驱动对敏感电馈通干扰的目的。实验结果表明,参数激励法对陀螺仪进行激励,将陀螺仪敏感输出信号幅度从141.25 m V降至38.75 m V,Allan方差零偏不稳定性从6.864 (°)/h降至4.316 (°)/h。表明了参数激励法对陀螺仪性能具有一定的提升作用。     

固定鸭舵双旋弹全弹道动态稳定性及其影响因素

为研究固定鸭舵双旋弹全弹道飞行时的动态稳定性问题,在小攻角条件下建立复攻角运动的状态空间模型,并应用霍尔维茨方法导出其特征根实部皆负的一般性条件.针对起控前/后前体滚转角的运动特点,利用常规旋转弹的稳定性分析方法,建立固定鸭舵双旋弹在不同飞行状态下的动态稳定性判据,其与常规旋转弹的形式相似,无控飞行时在升力和静力矩项中对应增加了舵面控制力和力矩项;有控飞行时进一步增加了有关项相对增量的影响.据此在后体参数确定的条件下推导舵面参数约束条件,并分析操纵舵控制力系数导数、安装位置和舵偏角对动态稳定性的影响,揭示了该类炮弹动不稳定形成的原因.对复攻角运动在不同条件下的仿真分析结果表明,当舵面引起的有关项相对增量同时位于无控和有控飞行的边界曲线内时,固定鸭舵双旋弹全弹道飞行动态稳定,验证了本文推导的动态稳定性判据和舵面参数约束条件合理,为该类炮弹的研制提供了理论依据与设计参考.     

旋转弹用横滚隔离捷联惯导稳定回路设计

旋转火箭弹高速自旋的特点限制了传统惯性导航系统在旋转弹上的应用,针对此问题研究了一种具有横滚隔离功能的捷联惯性导航系统.通过引入一个与自旋轴平行的隔离环可避免横滚轴向陀螺输出饱和,同时可极大的减少陀螺刻度系数误差及安装偏差引起的测量误差.着重研究了隔离环稳定回路的一种校正方案,通过采用超前滞后网络对横滚隔离光纤捷联惯导稳定回路进行校正.仿真结果表明稳定回路可有效跟踪阶跃信号,系统超调量小于,调节时间小于0.15 s;在2N·m常值干扰力矩作用下,平台稳态偏差角为0.67′.该方案具有一定的工程实用价值.     

预置舵角对高速入水弹道和流体动力的影响

为了实现导弹以反复入水方式进行末段突防,需要形成向上弯曲的弹道,考虑采用预置舵角的方法迫使弹体在超空泡流动条件下作抬头转动,依靠攻角产生的尾部滑行力提供转平所需的法向过载。本文研究了具有细长前锥段外形的超空泡导弹在高速入水时弹道和流体动力的情况。利用动网格技术控制弹体以及整个计算区域的运动,采用Mixture方法描述气-液界面的运动变化;通过流场-弹道耦合方法,分析了通气条件下,0°~30°范围内不同预置舵角下入水弹道与流体动力的变化规律。研究结果表明,预置舵角可以控制弹道转平,且预置舵角越大弹道越容易转平。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

MEMS硅微陀螺仪系统级建模与仿真研究

根据MEMS陀螺仪敏感哥式加速度、测量角速度的原理,建立MEMS陀螺系统级行为模型是分析MEMS陀螺仪内部的驱动、检测和信号解调等行为过程及改进陀螺整个系统的性能的重要方法。根据MEMS陀螺的动力学方程及其内部组成,将MEMS陀螺分成驱动电路、传感器、信号调理电路等三部分,建立了MEMS陀螺系统级模拟行为模型,运用相关检测技术对角速度信号进行了提取,并对模型进行了仿真验证。仿真结果验证了所设计模型的有效性,所建模型可以用于MEMS陀螺的特性和性能分析。     

硅微机械谐振陀螺仪的非线性分析

给出了硅微机械谐振陀螺仪的结构,介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,详细推导并给出了陀螺仪的输出频率和标度因数非线性的计算公式;基于影响谐振陀螺仪标度因数的参数,分析了由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微机械谐振陀螺仪的非线性特性,给出了振动幅度与谐振频率关系的表达式.实验结果表明,陀螺仪的整体性能主要取决于谐振器振动幅度的稳定性.     

振动陀螺仪单向时滞耦合系统的摄动分析

针对振动陀螺仪单向时滞耦合系统,研究了角速度、耦合强度、耦合时滞与系统输出信号之间的关系,着重关注耦合时滞对待检测角速度测量结果的影响．本文采用摄动法对振动陀螺仪单向时滞耦合系统进行理论分析,得到了系统输出信号、系统振动边界和待检测角速度的近似表达式,并将数值和近似计算结果进行了对比．理论分析结果与数值结果比较吻合,验证了运用摄动法分析振动陀螺仪单向时滞耦合系统的有效性,也表明了在运用摄动法分析系统时具有局限性．     

Linear,nonlinear dynamics,and sensitivity analysis of a vibratory ring gyroscope

The linear and nonlinear dynamic responses of a vibratory ring gyroscope are investigated in this study focusing on the response mechanism of such a vibratory gyroscope. It is found that the nonlinear equations governing the drive and sense directions are coupled through both inertial linear and geometric nonlinear terms. Nonlinear responses are studied based on the full coupled nonlinear dynamic equations. The varying amplitude on the sense direction is analyzed for different input angular rates. The effect of nonlinearity on the ring gyroscope system is performed by comparing the results of nonlinear responses to those of linear responses. The contributions of some parameters to the amplitude responses and gyroscope sensitivity are analyzed, the conclusions of which provide guidelines to improve the sensitivity of the vibratory ring gyroscopes.     

光纤陀螺随机漂移补偿中的数据融合方法（英文）

为提高光电平台的控制性能和稳定性,以平台反馈回路所用的光纤陀螺传感器为研究对象,对光纤陀螺角速率的历史输出、当前量测以及随机漂移进行融合补偿。采用双自回归模型确定了光纤陀螺时间序列输出的自回归多项式和光纤陀螺随机漂移的自回归关系。以陀螺当前输出为量测量,结合卡尔曼滤波算法将陀螺历史输出和历史随机漂移融合进状态方程,并进行随机漂移在线估计补偿。实验结果表明,光纤陀螺随机漂移的AR模型能达到90%拟合效果,经卡尔曼滤波补偿后随机漂移能降到1/10。该方法能很好地抑制光电平台三个框架轴光纤陀螺的随机漂移,补偿率为80%~90%。     

布里渊光纤陀螺克尔效应误差消除方法

针对克尔效应对布里渊光纤陀螺输出结果的影响,建立了基于方波调制的布里渊光纤陀螺克尔效应理论模型.分析表明,由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关,还依赖于两路泵浦光频率调制的幅度.通过适当调节两光束的频率调制幅度,可有效实现克尔效应误差的消除.该方法实验装置简单,对调制频率要求低,是消除布里渊光纤陀螺克尔效应的有效方法.     

Transverse runout in flexible disk rotating at periodically varying angular speed

Under consideration of initial unstressed transverse runout, governing equation of a flexible disk rotating at periodically varying angular speed is modeled as a parametrically excited system, and steady state deflection and resonance of the disk is investigated by the harmonic balance method. The investigation shows that the initial transverse runout of a given disk mode affects the steady state deflection of the mode itself more prominently than other modes, and the deflection component fluctuating in high-frequency is weak and can be neglected in analysis. The disk resonates when the integer multiple frequency of angular speed variation around the disk natural frequency in the frame fixed on the disk. And each integer multiple frequency results in twin resonance peaks with increasing variation amplitude and constant part of the angular speed. The angular speed variation amplitude enlarges the resonance peaks.     

用于MEMS陀螺阵列信号处理的OBE平滑算法

为提高MEMS陀螺的精度,提出了一种基于最优定界椭球(OBE)的平滑算法,并将其用于陀螺阵列信号的处理.首先,利用多个相同型号的MEMS陀螺构成阵列,测量同一角速率信号,并建立数据融合模型.对于融合问题而言,噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降.为解决该问题,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,结合RTS平滑思想,提出一种新的平滑算法作为融合方法,它由前向滤波和反向平滑两个过程构成:前者采用集员估计理论中的OBE滤波估计角速率,后者则逆序执行OBE算法进一步提高估计精度.实验表明:该方法能够将陀螺的静态漂移由0.5130(°)/s降低到0.1368(°)/s;动态条件下,在有效跟踪载体角度变化的同时,将漂移由0.5343(°)/s降低到0.1704(°)/s,显著提高了陀螺的使用精度.     

石英音叉陀螺信号解调原理和角速度提取算法

介绍了石英音叉陀螺输出信号的成分,通过将其误差信号分解为一组相互正交的信号,建立了输出信号的模型.提出了一种利用基于锁相环(PLL)的正交矢量型锁定放大器解调石英音叉陀螺信号的方案,该方案利用锁相环作为锁定放大器的参考通道,它能消除驱动信号漂移的影响,并为正交矢量型锁定放大器提供一组互相正交的参考信号.正交矢量型锁定放大器提供被测信号的矢量信息,它输出的同相分量和正交分量通过旋转校正算法消除误差信号,从而提取出角速度信号.