基于双模型的光纤陀螺温度补偿方法（英文）

基于Sagnac效应的光纤陀螺(FOG),因其自身的优点广泛地应用在捷联惯性导航系统中(SINS)。然而,温度对FOG的影响包括常值影响和随机影响,仍是制约光纤陀螺性能的关键因素之一。针对不同性质的漂移,首先建立基于相关性分析的多项式模型补偿常值漂移;然后结合时间序列分析的方法,利用Kalman滤波抑制经多项式模型补偿后残差信号中的随机成分,进一步提高FOG的精度。单轴光纤陀螺试验结果表明,传统的单多项式补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h仅提高到0.04(°)/h;采用常值和随机的双补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h提高到了0.01(°)/h。证明了双温度建模与补偿方法的有效性,在工程上有一定的参考价值。     

一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的MEMS陀螺仪(英文)

为了进一步提高MEMS陀螺的动态范围和振动环境适应性,以加速其工程化应用步伐,研究了陀螺振动误差,提出了一种新型MEMS陀螺结构。MEMS陀螺仍然采用了音叉结构形式,同时采用了工字型框架和隔离结构,从而提高了陀螺结构的稳定性和抗振动性能,并降低了残余应力对陀螺影响。理论分析了驱动和检测模态频差对标度因数非线性的影响,并基于理论和实验分析了振动环境中的角振动对陀螺性能的影响。在此基础上,进行了陀螺的模态优化设计,以进一步减小了陀螺的振动灵敏度,并使其具有大动态范围。MEMS陀螺采用了SOI圆片制备,并采用了圆片级真空封装技术实现陀螺芯片的真空封装。MEMS陀螺芯片和ASIC芯片叠装在陶瓷管壳内,体积为11.4?11.4?3.8 mm3。实验结果表明,MEMS陀螺的测量范围为±7200 (°)/s,零偏稳定性为12.2 (°)/h(1σ)。随机振动环境下(7.6grms),该陀螺的振中零偏变化量小于10.0 (°)/h,振中的零偏稳定性小于24.0 (°)/h,是原陀螺的1/5。     

滤波技术在MIMU温度漂移补偿中的应用

为了提高MIMU的零偏稳定性,研究了MIMU的温度特性.通过温度实验,建立了微机械陀螺及加速度计漂移的温度补偿模型.陀螺零偏稳定性由补偿前的126.324(°)/h改善到9.612(°)/h,加速度计偏值稳定性由补偿前的0.8 36 mg改善到0.216 mg.分析了温度测量噪声的影响,对补偿模型进行了改进.将温度的测量值经过KaIman滤波之后用于补偿,可以进一步提高性能:陀螺零偏稳定性由9.612( °)/h改善到8.964( °)/h,改善了6.7%;加速度计偏值稳定性由0.216 mg改善到0.176 mg,改善了18%.实验结果表明,将温度测量值进行适当的滤波处理后用于补偿模型,补偿效果比不经过处理进行补偿的结果更优.利用Kalman滤波技术降低温度测量值的噪声,最终降低补偿结果的噪声也是文中的一个创新点.     

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。     

双质量硅微机械陀螺仪正交校正系统设计及测试

为了减小正交误差对双质量硅微机械陀螺仪性能的影响,进一步提高陀螺精度和工程化成品率,对双质量结构正交耦合刚度校正法进行了研究。首先,针对双质量陀螺结构的特殊形式,分析了其左、右结构中正交耦合刚度不相等的原因,并结合相敏检测相位误差对正交耦合刚度值进行了计算,进一步量化了其对输出信号的影响;其次,结合正交校正梳齿结构介绍了耦合刚度校正法的工作原理,并基于左、右结构单独校正的方法设计了双质量结构正交校正控制系统;最后,对正交校正前后的双质量微机械陀螺仪进行了详细测试,结果证实了双质量单独校正比整体校正效果更好,各项参数均有较大提高,其中零偏稳定性从校正前的540(°)/h提高到了正交后的24.05(°)/h(1σ),证明了提出的两质量块单独校正方法的可行性和实用性。     

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。     

核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计性能分析

核磁共振陀螺通过处于磁共振态的原子核进动频率在惯性系下的不变性实现载体角速度的敏感测量。为实现高灵敏度的核自旋磁矩测量，通常基于核磁共振陀螺气室构建原位参量调制磁强计，因此内嵌碱金属参量调制磁强计性能直接影响陀螺仪指标。开展核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计特性研究，分析了原子磁矩测量误差及其对陀螺性能的影响，并建立理论模型，仿真结果表明，泵浦光频率波动控制在1 GHz以内，探测光频率波动控制在0.1 GHz以内，可有效提高磁强计信噪比。研究结果对于提高碱金属磁强计灵敏度和信噪比、抑制核自旋磁矩测量误差具有理论指导意义。     

非共面四频激光陀螺变温零偏周期性波动

非共面四频激光陀螺的零偏随温度周期变化直接影响陀螺性能,提出了一种采用对法拉第旋光元件参数优化有效降低零偏波动幅值的方法。根据非共面四频激光陀螺的振荡光束频率特性,结合腔内旋光元件表面反射光束和散射光束的耦合效应以及旋光元件磁光效应,理论分析确定了导致陀螺变温零偏周期性波动的主要因素。采用对旋光元件楔角、微扰角度以及方位角三项参数的理论计算及仿真分析,确定了参数优化方法和优化验证参数,经验证与理论分析结果一致,有效消除了陀螺变温零偏周期性波动,结合温度补偿模型,实现70°C变温范围内零偏最大变化由1.5(°)/h降低为0.11(°)/h。     

一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法

维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共振陀螺的应用范围。为解决以上问题,提出了一种基于自激励的闭环控制方法,通过理论仿真模型和实验设计,验证了其正确性与可行性。仿真结果表明,采用所提出闭环控制方法的陀螺漂移可达到9×10-4 °/h,角速率分辨率可达到0.1°/s以内。实验结果表明,与传统方法相比,采用所提出的方法使得陀螺漂移精度提高了一个数量级,同时,为未来核磁共振陀螺小型化奠定了基础。     

低温超导核磁共振陀螺仪模型

建立了单工作物质的三自由度3He低温超导核磁共振陀螺仪结构;利用了量子力学和经典动力学,经过严密的力学分析和数学演算,给出了三轴陀螺仪的工作原理和结构示意图;针对陀螺仪的交叉轴角速率耦合问题,给出了附加磁场线圈解耦法和冗余设计结构,最后建立了基于超导量子干涉仪探测磁矩,并采用最小二乘估计法来推导陀螺进动频率.陀螺仪测速范围可以达到10-9～103 rad/s,漂移为10-4 (°)/h.该陀螺仪结合低温超导技术具有高精度的前景.需要进一步对超导量子干涉磁矩检测仪的精度与陀螺性能进行研究.     

光纤陀螺热致漂移误差的模糊补偿(英文)

针对光纤陀螺启动过程中的热致漂移误差问题,研究了一种模糊模型补偿方案。依据Shupe非互易性理论和Mohr加热模型试验的结论,以光纤环内侧温度和温度变化率为输入,以陀螺漂移为输出,建立了二输入一输出模糊模型。利用全温范围(-25℃～45℃)内光纤陀螺的恒温静态试验数据,基于自适应神经网络模糊推理系统的自学习功能,辨识出模糊规则库。通过实时施行模糊推理可实现光纤陀螺温度漂移的在线自动补偿。室温验证试验表明,陀螺的零偏稳定性由补偿前的0.037(°)/h提高到0.017(°)/h,陀螺启动时间由补偿前的30 min减少为2 min。     

Active control of coupled flexural-torsional vibration in a flexible rotor-bearing system using electromagnetic actuator

Rotor-shaft systems are subject to non-uniform spin speed during start-up, coast-down or any non-stationary situation changing the spin speed suddenly, e.g., load fluctuation or sudden mass-loss like loss of a blade or a part thereof. For a flexurally and torsionally compliant rotor-shaft, the dynamics under non-uniform spin-speed shows inertial coupling among transverse and torsional coordinates through mass-unbalance and gyroscopic effect. This results into coupled transverse-torsional vibration, where torsional response consists of significant harmonic components at bisynchronous spin frequency, torsional natural frequency of the shaft, and at combination frequencies corresponding to sum and difference of spin and transverse natural frequencies and twice the transverse natural frequency of the rotor-shaft. As a result of the coupling, transverse rotor motion also influences the torsional motion. The Method of Multiple Scales (MMS) is used in this work to carry out an analysis of a simplified system to get an idea about the dominant frequencies of excitation. Results of numerical simulation are presented next to show the effectiveness and influence of actively controlling the transverse rotor motion on its torsional motion, at the dominant frequencies, with the help of non-contact electromagnetic force from an actuator. Transverse vibration control is also observed to control the torsional oscillations due to coupled nature of the problem. The Stability Limit Speed (SLS) of the system is also increased as a result of application of the active control action. Constant axial torque is observed to diminish the influence of coupling, and protect the system against torsional instability, but control action is a must to stabilize the transverse vibration of the system above SLS.     

空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统设计

针对空间三轴机抖激光陀螺设计了交流稳频控制系统,分析了系统原理,进行了Simulink仿真建模和试验研究。在系统原理中分析了控制过程,推导了系统函数,通过Simulink交流稳频系统仿真建模摸索了空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统中PID参数对系统响应的影响,并得到了优化参数(K_P=0.048,K_I=0.0021,K_D=0.0037),为硬件调试提供了参考。将交流稳频控制系统应用于国产某型空间三轴机抖激光陀螺进行试验,试验结果显示通过PID参数调节后的交流稳频陀螺PZT码值变化平稳,陀螺静态脉冲输出稳定,与原直流稳频控制方法相比将空间三轴机抖激光陀螺的精度提高了20%。     

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.     

受限颗粒体对制动系统非线性振动的影响

制动系统在工作时,往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响,这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性,一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型,引入了新的受限颗粒体摩擦模型,提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在特定参数下,当此系数为0时,制动片切向振动为周期运动;但是当此系数不为0时,制动片切向振动呈现拟周期或混沌运动,此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化,甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内,受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.      

三浮陀螺磁悬浮干扰力矩机理分析

在三浮陀螺磁悬浮的干扰力矩研究方面,详细分析了磁悬浮干扰力矩的产生机理,对机加和装配误差、磁性材料的不理想、调试过程等可能造成的磁悬浮干扰力矩进行了定性分析和定量计算,推导出干扰力矩的表达式,并通过组合加工的方法对磁悬浮干扰力矩的力臂加以控制。目前的加工水平可以达到:径向磁悬浮干扰力矩1×10~(-8) N×m,对应的陀螺漂移8.4×10~(-2)(°)/h,随机分量4.2×10~(-6)(°)/h;轴向磁悬浮干扰力矩2×10~(-10) N×m,对应的陀螺漂移1.7×10~(-3)(°)/h,随机分量为8.4×10~(-8)(°)/h。     

应用于三轴光纤陀螺中的双程后向ASE光源

根据三轴光纤陀螺的高精度需求,采用大功率高稳定性的高精度双程后向方案掺铒光纤光源。通过对ASE光源的理论分析建立数学模型,并根据所用掺铒光纤及泵浦光源的参数对光源进行谱型分析,确定光路方案。再以掺铒光纤和泵浦激光器的温度特性和补偿为研究重点,对掺铒光纤的长度和掺杂浓度以及泵浦功率和铒纤的匹配性进行试验,最终采用铒纤长度19 m,泵浦波长974.6 nm,泵浦功率140 m A,得到光源光功率为20 m W,平均波长变化量小于0.5′10~(-6)/℃,满足光纤陀螺对ASE光源的要求。     

陀螺零偏二次模型参数的系统级辨识算法

以单轴旋转光学捷联惯性导航系统为原型,假设水平陀螺常值漂移的影响得以完全调制,方位陀螺漂移为随时间变化的二次模型,在水平阻尼工作模式下推导了系统位置误差与方位陀螺漂移之间严格的数学关系。分别设置了方位陀螺漂移仅有常值项、一次项、二次项和全系数误差的误差模型,利用递推最小二乘算法成功辨识出设定的二次模型中各个参数值。仿真结果表明,常值项首先被辨识出来,估计时间约为14 h,估计误差为6.54e-6(°)/h;一次项系数估计时间约为30 h,估计误差为2.73e-8(°)/h;二次项系数估计时间约为42 h,估计误差为1.51e-9(°)/h;全系数估计需要45 h,估计误差为7.28e-6(°)/h。辨识结果验证了该算法的正确性。实际系统中,可适当增加总的辨识估计时间,以达到更高精度的辨识结果。     

电容式MEMS环形振动陀螺结构设计及加工

微机械环形振动陀螺仪采用四波腹工作原理,具有精度高、抗冲击性能好等优点。通常情况下为了提高电容值和信噪比,环形结构会采用高深宽比方案,因此带来的footing效应直接影响了结构加工的成品率。本文在设计环形结构的基础上提出了一种在硅下表面溅射一层Al金属层的方法,能够避免footing效应的发生。实验结果表明,该方法有效提高了结构加工精度。同时,为了验证所设计结构的正确性,对加工出的结构进行了扫频测试,结构驱动模态谐振频率与设计值相差仅0.13%,并在此基础上搭建了测控系统,进一步进行了静态实验,结果表明其零偏稳定性指标为101(°)/h证明了设计和加工的可行性。     

线圈隔热层对光纤陀螺温度误差的影响分析

针对温度变化所引起的光纤陀螺非互易相移误差,详细研究了隔热材料对减小热漂移误差的作用,并详细比较了使用不同厚度隔热层的光纤陀螺在相同变温历程下的热漂移误差大小以及达到热平衡状态所需的时间。仿真结果表明,当隔热层的厚度由0mm变化到4mm的过程中,热漂移误差的峰值由0.12(°)/h降低到了0.08(°)/h,同时达到热平衡的时间从2 520 s增加到了3 600 s。利用该仿真结果,可以在保证热启动时间满足条件的前提下找到一个最优的隔热层厚度,从而使热漂移误差的峰值最小。