基于RLS算法的全角模式半球谐振陀螺自补偿控制

针对全角模式半球谐振陀螺驻波的非线性漂移严重影响陀螺输出精度，且该漂移会受温度、驻波位置、老化程度等因素影响的问题，提出了一种基于递归最小二乘（RLS）算法的半球谐振陀螺自补偿控制方法，分析了全角模式半球谐振陀螺的输出误差补偿机理，基于RLS算法，推导出了误差自补偿控制过程表达式，并进行了仿真和实验验证，结果表明经自补偿后陀螺输出偏移峰峰值从0.0104°/s降至0.0013°/s。实验证明所提方法能够有效地抑制全角模式陀螺驻波的非线性漂移，实现对陀螺自身状态的监测和实时补偿，可提高全角模式半球谐振陀螺的输出精度，并增强陀螺的长期稳定性以及环境适应性。     

半球谐振子装配倾角误差对频率裂解的影响分析

精密的装配工艺是保证半球谐振陀螺仪高精度性能的关键技术,研究装配误差对陀螺性能的影响可以为完善和优化工艺参数提供理论指导和依据。围绕装配过程中产生的偏心、倾斜误差对谐振子频率裂解的影响开展研究,建立了倾斜装配误差对谐振子频率裂解的影响数学模型。首先将谐振子唇沿与极板作为等效电容,建立装配倾角误差与等效电容之间的关系模型;然后基于等效电容两端电压与半球谐振子的静电力之间的数学模型,分析静电力不均匀对谐振子刚度的影响;最后建立数学模型分析了刚度扰动对频率裂解的影响。研究结果表明,对于直径30 mm的熔融石英半球谐振子,与基座的装配倾角误差为1角分时,由倾角误差引入的频率裂解为10-4 Hz量级。关于倾角误差对谐振子频率裂解的影响分析,为高精度半球谐振陀螺的精密装配工艺以及工艺参数配置奠定理论分析基础。     

基于主动驱动旋转的全角模式半球谐振陀螺驻波漂移补偿方法

全角模式半球谐振陀螺具有动态范围大、应用场景广泛等特点,但由于品质因数周向不均匀导致的驻波漂移问题尚未完全解决。针对这一问题,提出一种驻波漂移模型参数辨识及补偿方法。首先,根据二阶振动模型推导了驻波漂移模型;其次,提出一种辨识漂移速率峰值及阻尼轴位置的方法;最后,通过主动驱动驻波旋转补偿驻波漂移并通过实验验证方法的有效性。实验结果表明:补偿后的驻波漂移速率降低了95.55%,可以明显降低谐振子驻波漂移。     

半球谐振陀螺电路增益非对称分析及抑制方法

全角模式半球谐振陀螺具有测量动态范围大,不存在速率积分误差等优点,应用场景广泛,但驻波检测和驱动电路的增益非对称会对其标度因数的线性度和稳定性产生影响。针对上述问题,推导了含有检测驱动电路增益和相移的陀螺动力学模型,明确电路增益和相移不对称对陀螺标度因数的影响机理,提出一种检测驱动电路单路复用的方法,并通过仿真验证了所提方法的有效性。最后开展单路复用实验,实验结果表明单路复用将全角模式下的角速度漂移降低了82%,并将标度因数非线性从6%降低到了1.3%,基本消除了电路的增益非对称对标度因数的影响。     

基于最小均方算法的半球谐振子特征参数辨识方法

作为半球谐振陀螺的核心元件,半球谐振子的加工水平直接决定了陀螺的性能优劣。然而,目前尚缺乏有效方法来对半球谐振子的性能进行量化评估。针对这一问题,提出一种利用最小均方(LMS)算法来对半球谐振子的刚度各向异性Δω、刚度失准角θ_ω、阻尼各向异性Δ(1/τ)和阻尼失准角θ_τ这四种特征参数进行辨识的方法。首先,根据非理想谐振子的正交误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δω和θ_ω信息的陀螺正交分量q的数据集;其次,根据非理想谐振子的驻波方位角误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δ(1/τ)和θ_τ信息的驻波方位角θ的数据集;然后,根据正交误差方程和驻波方位角误差方程构建基于LMS算法的特征参数辨识模型;最后,利用Simulink程序仿真验证所提出辨识方法的有效性。仿真结果表明:半球谐振子的四个特征参数全部在8s以内完成辨识,并且全部收敛于参数的设定值。该方法不仅可以实现对半球谐振子的加工水平进行量化评估,而且可以为半球谐振陀螺的误差分析与补偿提供理论依据。     

半球谐振子密度分布不均匀对输出精度的影响

为了研究半球谐振子环向密度分布不均匀对输出精度的影响,首先推导了位置激励表达式,利用解微分方程的布勃诺夫-加廖尔金法建立了谐振子环向密度分布不均匀的动力学方程,然后根据动力学方程并利用平均值法推导了含有密度四次谐波误差的短时间内的漂移模型,最后根据Runge-Kutta法对系统长时间漂移进行了仿真计算,通过计算可知当密度四次谐波幅值为0.0001 kg/m3时,角位置1h内的漂移达到0.03°,因此在加工工艺过程中密度四次谐波应小于此值或采用其他方式加以补偿.     

一种速率积分半球谐振陀螺自校准方法

速率积分模式下半球谐振陀螺具备大测量范围、高带宽及极佳的标度因数等优良特性，但阻尼不均匀及其随温度、老化等的变化导致的驻波周向漂移及其不稳定性限制了速率积分半球谐振陀螺的工程应用。为减小这种驻波周向漂移的影响，基于半球谐振陀螺的二维振动模型和控制模型，通过驻波角周期性自进动与频率调制结合的自校准方法实现了模型参数的实时辨识、周向漂移的实时补偿及载体转速的实时解算。自校准速率积分半球谐振陀螺实测20小时的数据表明，启动2小时后，从0时刻开始的平均零偏为0.06°/h,10小时后稳定在0.018°/h以内，零偏不受周向漂移影响，陀螺的长时工作精度得到了大幅提高。     

基于轨迹图法的半球谐振陀螺动力学模型描述

谐振子弹性系数和阻尼系数的不对称是引起半球谐振陀螺漂移的主要原因。根据半球谐振陀螺的动力学模型,用轨迹图法对谐振子的振动特性进行了研究。轨迹图直观地反映了谐振子的振动特性。当谐振子处于理想状态并且有角速率输入时,谐振子的轨迹图是以一定的角速率进动的标准椭圆。谐振子的非理想性严重影响陀螺的正常工作。当谐振子弹性系数不对称时,谐振子的轨迹图会发生明显变形。阻尼系数的不对称会导致振动平面向最低阻尼轴漂移。因此,消除弹性系数和阻尼系数不对称的影响对提高半球谐振陀螺的精度有重要意义。     

谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性影响分析(英文)

半球壳谐振子是半球谐振陀螺的核心部件。基于弹性力学的有限单元法建立了谐振子的弹性动力学有限元方程,得到谐振子自由谐振方程。为分析谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性的影响,利用有限元分析软件(ANSYS)建立了半球壳谐振子有限元模型,分析了理想谐振子和存在支柱偏心误差谐振子的二阶谐振状态振动特性。深入分析了支柱偏心误差对谐振子谐振频率和变形特性等振动特性的影响规律。通过对两种影响规律的比较分析得到,支柱偏心误差导致的频率差将会引起陀螺的随机漂移;而支柱偏心误差引起的变形将会影响陀螺的零偏,可以通过标定补偿。为减小支柱偏心误差对陀螺精度和性能的影响,偏心误差的加工误差范围应小于1.2μm,分析结果为谐振子的加工设计和结构误差分析提供了理论基础。     

科氏振动陀螺全角模式阻尼误差与补偿

工作在全角模式的科氏振动陀螺具有直接输出角度信息、大动态范围、高测量带宽及稳定的标度因数等优势，但其性能易受谐振子刚度不对称、极板间距不一致、阻尼误差等因素影响，其中阻尼误差缺乏有效的补偿方案。针对科氏振动全角陀螺的阻尼误差，提出在阻尼主轴坐标系中采用能量衰减法对阻尼误差的影响进行分析，确定了全角陀螺的速率死区指标，并得到了在不同外界角速率下全角陀螺的进动特性。最终采用自适应阻尼补偿法对全角陀螺阻尼误差进行抑制，将MEMS多环陀螺的速率漂移从2°/s降低至0.25°/s。     

半球谐振陀螺真空度要求分析

空气阻尼是影响半球谐振陀螺精度的重要因素,直接影响了其核心零件谐振子的品质因数Q。首先,根据半球谐振陀螺的工作原理和结构特点,研究了在不同真空度环境下、克努森系数K_n不同取值范围内空气阻尼对半球谐振陀螺的作用;进而,推导出相应的空气阻尼计算公式,计算出谐振子的Q值,得出了高精度谐振陀螺必须工作在K_n10的分子流阶段,在此阶段Q值关于真空度的对数曲线等比例提高。最后通过某型半球谐振陀螺进行实验验证,实验结果与理论分析计算相吻合,验证了理论分析的正确性。为半球谐振陀螺的真空设计提供理论依据。     

基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法

针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升1.8倍以上,陀螺零偏重复性提升90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。     

基于超快激光技术的半球谐振陀螺点式修调方法

针对石英半球谐振陀螺中谐振子的频率裂解修调难题,提出基于超快激光技术的点式去重修调方法。首先,分析了频率裂解与四次谐波不平衡质量的对应关系,根据傅里叶级数展开原理以及谐波函数叠加原理,推导了点式去重的修调算法。然后,通过仿真验证了修调效果,并总结出均布对称修调的最优方案。最后采用飞秒激光时空整形加工新方法,进行了石英半球谐振子的修调实验。实验结果表明,所提出的方法可以使频率裂解修调至8 mHz左右,实现了0.5 mHz的修调分辨率。     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析

半球谐振陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全固态陀螺。为分析半球谐振子中固体波的进动效应,基于虚功原理,建立了理想条件下半球谐振陀螺谐振子中固体波进动的动力学模型。针对进动波的动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷,提出采用相似系统的分析方法,将该动力学模型等效为二维空间质点的简谐振动模型;采用快变量与慢变量分离的方法,对等效模型进行了参数分析,通过与实际的半球谐振陀螺信号处理系统采集的李沙育图形进行对比,验证了等效简谐振动模型的有效性和正确性。     

抑制耦合干扰的半球谐振陀螺信号分频调制检测方法

针对半球谐振陀螺的共用电极结构引起振动检测信号中耦合干扰的问题,提出了一种抑制陀螺检测信号中耦合噪声的分频调制检测方法。从振动检测机理入手,首先建立了电容检测数学模型,分析了信号检测端的耦合噪声源。然后,通过改进激励与检测电极配置方法,利用两个不同频率的高频载波对谐振子x轴向和y轴向上的振动信息进行分频调制,实现了振动信号与驱动响应干扰信号的频域分离,经过信号检测器完成分频传输,从而抑制了耦合干扰。最后,进行了实验验证。实验结果表明所提出的方法相比使用较广泛的单频信号检测方法可有效抑制信号检测端的驱动耦合干扰,使控制回路锁相精度提高了一个数量级以上,陀螺输出信号噪声带由2.1 mV降至1 mV以内。     

半球谐振陀螺星载惯性测量单元设计与实现

半球谐振陀螺是一种新型固体振动陀螺,具备功耗低、寿命长、稳定性高等特点,可完美适应卫星的姿态控制。针对微小卫星应用需求,利用半球谐振陀螺构建了星载惯性测量单元。首先,通过测量单元硬件结构设计,对其内部空间进行优化,并通过力学特性及力学试验仿真分析,验证其机械可靠性。其次,针对微小卫星应用环境优化半球谐振陀螺电路设计,提高惯性测量单元可靠性。最后,力学环境试验结果表明,三轴半球谐振陀螺的零偏稳定性均优于0.1?/h,敏感器件满足标度因数非线性度和零偏稳定性（1）的要求,实现了满足微小卫星应用需求的低成本、小体积、高可靠的半球谐振陀螺星载惯性测量单元。     

单轴旋转惯导系统转轴陀螺常值漂移综合校正方法

为提高单轴旋转惯导系统长时间的导航工作精度,根据单轴旋转惯导误差方程阐述了单轴旋转惯导的自动补偿原理,指出转轴方向陀螺漂移是引起系统位置误差发散的最主要的误差源。在动基座条件下,建立了转轴陀螺常值漂移与系统经度误差之间的数学模型,根据经度误差即可估计转轴方向的陀螺常值漂移,实现系统转轴方向陀螺的常值漂移综合校正。利用计算机仿真方法验证了所给数学模型的合理性,利用建立的数学模型,只要获得一次准确的位置信息,即可对系统位置进行重调,并且实现对系统转轴方向陀螺漂移的估计与补偿,实现系统的综合校正。转轴方向陀螺漂移经过补偿后,其精度由0.002(°)/h提高到0.0005(°)/h,并给出了对系统进行综合校正的较佳时机。     

一种全对称八质量MEMS陀螺的设计

工作在模态匹配情况下的全对称结构成为了高性能MEMS陀螺的重要技术实现方案。在全对称结构中,环形陀螺具有对称性好、可以工作在全角模式下的优势,但是其缺点在于电容量小、等效敏感质量轻。针对这一现状,设计了一种内嵌梳齿电容的全对称八质量MEMS陀螺,该陀螺也具有2θ或3θ工作模式,且可以通过质量块之间的运动及科氏力的耦合实现运动状态的进动。谐振子版图尺寸5.5 mm×5.5 mm,谐振频率20 kHz。结构具有4.83 mg的等效敏感质量,是同等多环结构等效质量的三倍。该结构具有敏感质量大、电容量大的优势,有希望成为下一代高性能、轻小型、快速响应陀螺。     

四频差动激光陀螺三种误差模型对寻北精度的影响

分析了四频差动激光陀螺漂移信号的特性,将陀螺输出的漂移误差信号分为常值漂移误差和随时间变化的一次项、二次项漂移误差,并据此建立陀螺漂移误差模型,分别对陀螺漂移进行零次拟合、一次拟合及二次拟合.针对这些模型结合寻北推导了误差的补偿算法,并通过寻北实验精度比较,验证了不同误差模型的补偿效果.实验结果表明,就本文实验所用陀螺,含二次项误差的模型寻北精度较高,使寻北精度从零次拟合模型的1密位降低到0.5密位.