激光陀螺捷联惯导系统IMU结构模态分析

随着机抖激光陀螺捷联惯导系统以其诸多优点在军用与民用导航领域得到广泛的应用,对其体积和重量的要求变得越来越严格。机抖激光捷联惯导系统IMU小型化设计的关键在于减振系统的设计,而减振器仿真模型的建立是该减振系统模态仿真分析的难点。针对这一问题,提出一种通过ANSYS中的"Bushing连接"来模拟减振器的方法,并利用模态实验结果修正其参数,最终建立了一个准确的减振器模型,实现了对捷联惯导IMU振动模态的精确仿真与分析,为其IMU结构的进一步小型化设计奠定了基础。     

激光陀螺捷联惯导减振系统动力学建模与仿真

由于激光陀螺固有机抖频率的存在,以及导弹运输、装卸、发射与飞行过程经历的动态环境中振动、冲击、过载等激励,导致激光陀螺在导弹上使用输出精度差。应用多体系统传递矩阵法,建立了激光陀螺捷联惯性测量组合减振多体系统动力学模型,分析激光陀螺固有抖动和导弹振动冲击对激光陀螺输出精度的影响。通过对减振系统动力学模型进行仿真,获得了激光陀螺抖动和导弹冲击环境下激光陀螺捷联惯性测量组合减振系统动态响应。该仿真结果为激光陀螺捷联惯性测量组合减振设计提供理论依据,该分析方法为激光陀螺捷联惯组在导弹上应用提供理论基础。     

旋转IMU在光纤捷联航姿系统中的应用

惯性测量单元输出信号的精度直接影响捷联惯性导航系统的精度,为了提高捷联系统的精度,以舰船光纤捷联惯性航姿系统为应用对象,采用了双轴旋转机构连续匀速旋转IMU的系统方法,把惯性测量单元输出信号中的漂移误差调制成正弦信号,通过捷联算法中的积分运算可以有效地消除陀螺和加速度计中的漂移误差,从而有效地提高捷联惯性航姿系统的精度,并进行了系统仿真实验。仿真结果表明:经过旋转以后的IMU输出信号误差较传统非旋转方法可以减小一个数量级。基于双轴旋转IMU的系统方法可以有效地减小IMU输出信号漂移误差和提高捷联惯性航姿系统的精度。     

捷联惯组减振系统角振动、线振动共振频率理论分析

当前实际工程中,角振动试验技术和设备尚不成熟。以指导捷联惯组减振系统设计过程为目的,结合捷联惯性组合减振系统对角共振频率的特殊要求,对线振动、角振动共振频率的关系进行了分析与讨论。建立了捷联惯性组合减振系统的动力学模型,得到了捷联惯组减振系统数学模型,利用刚体动力学方法分析捷联惯组的转动惯量和回转半径,得出理想情况下捷联惯性组合减振系统线共振、角共振频率存在一定的比例关系,并与减振器安装中心到转动中心线的平均距离和惯组回转半径有关的结论。最后讨论了改变减振系统刚度和减振器布置方式两种改变共振频率的方法,并对两种方法进行了比较。     

弹载激光陀螺惯导系统安装支架设计

以某型号武器控制系统使用激光陀螺的任务为背景,针对激光陀螺捷联惯导系统在地面动态导航测试中圆概率误差偏大的现象,要求给激光陀螺捷联惯导系统设计出性能优良的减振系统。通过双自由度分析法以及振动试验,指出原安装板刚性不足,导致谐振频率出现在激光陀螺的机抖频率附近以及其它需要减振的频率段,这些成为导航误差偏大的主要原因。把安装支架作为减振系统的一部分,应用有限元动态优化法设计出刚性增强的安装板和动态结构性能良好的安装支架来改善减振效果。经地面振动试验验证,新构建的减振系统的减振效果达到预期的设计要求,在国内战术武器激光陀螺应用方面取得很大进展,可以在飞行器上使用。     

捷联惯性导航减振系统研究

一本文研究车载捷联惯性导航系统的减振问题。对减振系统的设计、减振器的选型与安装等方面进行了讨论，提出减振系统性能测试和数据处理方法，给出了实验结果。分析振动对仪表测试误差和导航计算误差的影响，并提出了减小误差的措施。     

旋转式捷联惯导系统精对准方法

针对静基座捷联惯导系统初始对准时可观测性差的缺点,提出了捷联式惯导系统四位置转停的单轴旋转方案,以及在此方案下的精对准方法。将陀螺常值漂移和加速度计零位误差调制成周期变量,通过改变惯导系统误差模型中的捷联矩阵改善系统的可观测性。为了使捷联惯导系统的误差方程适合卡尔曼滤波模型,将加速度计误差和陀螺漂移扩充为状态变量,采用卡尔曼滤波方法实现旋转式捷联惯导系统的精对准。仿真结果表明,IMU旋转状态下的对准方法大大提高了系统失准角的可观测性,从而提高了对准精度。     

机抖激光陀螺动力学特性研究

在构建激光陀螺捷联系统时,三个激光陀螺安装在同一个基座上.由于三个陀螺振子都在进行高频角振动,激励基座产生耦合振动,造成陀螺是在振动基座环境下工作,引起激光捷联系统的抖动耦合误差,导致系统导航精度下降.采用有限元方法研究了机抖激光陀螺的动力学特性和振动模态,以及机抖激光陀螺的振子抖动对基座的影响和外界激励条件下陀螺的响应.通过压电陶瓷激励下陀螺的频率响应分析,实现了激光陀螺工作状态下的动力学仿真,可以获得陀螺工作时激光陀螺任意位置的动力学响应信息,从而为激光陀螺和基座的结构设计提供评判依据,也为分析激光捷联系统的抖动耦合误差开辟了新途径.     

捷联惯性系统初始对准中IMU安装误差及陀螺漂移的估计与补偿

为尽可能消除IMU安装误差和陀螺漂移对系统精度的影响，运用主从惯导传递对准技术，采用扩展状态滤波器和速度／姿态角组合匹配的方法，估计出IMU安装误差和陀螺漂移误差，并对系统进行补偿。仿真结果表明，补偿了安装误差和陀螺漂移后，捷联惯性系统的导航参数精度可提高1个数量级以上。     

MEMS惯组抗高g值冲击设计方法

MEMS惯组以其体积小、成本低、可靠性高在强冲击环境中得到越来越广泛的应用。为解决基于石英微陀螺和硅微加速度计的MEMS惯组抗高g值冲击问题,提出了一种内减振抗冲击设计方法。在该设计方法中,将陀螺与加速度计嵌入式安装在对称六面体框架结构上,并通过粘接在六面体框架八个顶点的24块粘弹性阻尼减震器与惯组基体隔离,实现内减振。同时基于弹簧阻尼系统理论建立了MEMS惯组抗冲击等效数学模型,对模型进行了仿真分析。利用有限元分析软件ANSYS对三维结构模型进行了模态分析和冲击仿真分析,并通过结构扫频实验与9次5000g冲击谱试验进行了验证。仿真分析与试验结果证明了该方法的有效性及可行性。     

高动态载体高精度捷联惯导算法

捷联惯导系统的精度是导航的关键.传统的捷联惯导算法受惯性传感器更新速率限制,其精度和实时性在高动态下受到极大影响.在研究传统捷联惯导算法的基础上,建立了统一的捷联惯导微分方程,并提出了基于一次采样的四阶龙格库塔捷联算法,降低了惯性器件采样频率对捷联解算周期的限制.利用设计的基于DSP的半物理仿真系统验证表明,该算法能有效满足高动态下捷联惯导算法的实时性要求,定位精度提高约1倍,具有重要的工程应用价值.     

自适应卡尔曼滤波在惯性测量组合误差补偿中的应用

惯性元件误差是捷联惯导系统的主要误差源，必须在导航过程中加以补偿。根据机动目标跟踪理论和惯性测量组合动态模型，分别建立状态方程和观测方程，利用机动频率自适应的算法进行卡尔曼滤波，以此达到惯性测量组合动态误差和随机误差补偿的目的。仿真结果说明该方法可行有效，优于传统的误差补偿算法，能较好地提高系统导航精度。     

基于水平阻尼的星光/惯性组合校准技术

根据星光/惯性组合导航系统舰载使用特点,考虑以SINS、CNS、LOG三者组合,设计组合校准方案。在SINS/CNS/LOG组合过程中,利用惯导系统的短期高精度特性,设计基于水平阻尼的卡尔曼滤波器对惯导舒勒周期进行补偿。星光/惯性组合校准技术建立在水平阻尼基础上,借助星光导航的航向和位置信息完成惯导位置误差、失准角和陀螺漂移的修正,从而实现组合系统长航时、远航程高精度导航。最后通过仿真对比试验验证星光/惯性组合导航系统校准方案的有效性。仿真结果表明:SINS/LOG组合后,惯导24 h位置误差CEP≤1.48 n mile,且位置误差会随时间积累;而SINS/CNS/LOG组合系统采用星光信息24 h一点校方案,第一次和第二次点校后,48 h和72 h惯导位置误差CEP≤0.5 n mile。由此可见,采用星光信息后,该组合方案能够显著提高惯导导航精度,达到延长惯导系统重调周期目的。     

分布振子复合板的模态阻尼及多点激励下阻尼减振相关性

分布阻尼振子可拓宽结构减振频带,因此可将振子分布于板中以形成复合板（简称“分布振子复合板”）,进而实现较宽的减振频带．对于多点支撑处受到宽频非一致激励（例如在不同激励点处的激励频率、幅值与相位有差异）的分布振子复合板,目前还缺乏有效简便的优化控制指标．在作者之前的研究中,针对含分布振子的梁推导了基于模态应变能的模态阻尼计算理论,讨论了模态阻尼与单点激励下梁的减振效果的相关性,并应用于宽频减振设计优化．本文进一步将模态阻尼计算理论推广到分布振子复合板,并将研究从梁的单点激励扩展到板的多点非一致激励下的阻尼减振相关性．首先,在利用模态应变能法推导得到分布振子复合板的模态阻尼计算公式后,从理论上讨论了不同边界条件与模态阶次对计算结果的影响,以及计算理论的适用性．而后,进一步通过有限元参数分析了边界条件、频率比、模态阶次与质量比的影响．最后,通过算例分析了无振子板或分布振子复合板在四个激励点具有多种幅值与相位组合情况下的稳态响应．结果表明,推导的模态阻尼计算公式可正确预测不同边界条件下的模态阻尼,且理论预测的模态阻尼与基板的稳态平均加速度减小率、稳态峰值应变能减小率均有较高的相关性．     

基于大失准角时变参数罗经初始对准算法

为了解决大失准角条件下的捷联惯导初始自对准问题,通过分析捷联惯导系统大失准角误差模型,利用平台惯导系统罗经对准原理,提出了一种新的捷联惯导系统罗经对准方案。该方案的具体实现划分为三个阶段:方位角未知情况下的水平对准;大失准角时变参数罗经方位对准;定参数罗经对准。该方案通过实时调节罗经参数缩短了对准时间;利用大方位失准角模型代替小失准角模型,在算法收敛阶段更加准确地描述了捷联惯导系统的误差传递方式。仿真试验表明,使用陀螺随机漂移稳定性为0.01(°)/h的捷联惯导系统,该对准方案能在60 s内方位精度到达1°,并能在对准结束时达到3’的方位对准精度。     

捷联式惯导系统快速初始对准方法研究

针对初始对准过程中对准精度与快速性相矛盾的问题，提出并设计了把扩张状态观测器（ESO）与卡尔曼滤波滤波估计器相结合，用于捷联惯导系统初始对准的方法。数值仿真结果表明，该方法使对准过程所需要的时间大大缩短，并保证了较高的对准精度及较强的鲁棒性。     

混联Ⅰ型惯容系统基于李鸿晶谱的地震响应分析

针对设有混联Ⅰ型惯容系统的耗能结构基于李鸿晶谱的响应分析较为繁琐的问题,提出求解地震响应的简明封闭解法,并研究了惯容系统基本参数对减震性能的影响。首先,建立惯容系统和结构之间的微分型本构关系,并运用复模态法和虚拟激励法获得结构系列响应的统一解。其次,将结构系列响应的功率谱密度函数精确转化为复特征值及结构自振频率平方和表示的二次分解式,进而获得响应0阶～2阶谱矩的简明封闭解。最后,通过数值算例验证了所提方法的正确性及计算的高效性,对惯容系统参数的研究表明,当惯容系数和阻尼系数越大,结构减震效果越好,而刚度系数对结构的减震效果取决于惯容系统名义圆频率与结构自振圆频率的比值,当两者比值为0.9时减震效果最好。     

车载SINS/DR组合导航系统的在线标定方法

惯导系统中陀螺漂移和加速度计零位存在逐次启动不重复性误差,需在一定时期内频繁拆卸进行标定,增加了较大的工作量。从工程实用和维护的角度出发,提出了一种针对于车载组合导航系统的在线标定方法。该方法用卡尔曼滤波作为估计工具,利用里程计获得辅助信息,将惯导系统与里程计的位置和速度的差值作为量测值,通过设计接近于一般跑车实验过程的路径对待标定的误差项进行有效激励。仿真卡尔曼滤波结果表明,在一定的时间内各误差项根据车行轨迹进行逐步收敛,实现了在一般跑车实验中不拆卸惯性器件而达到标定的目的,且在精度上较 SINS 有了明显的提高。这种在线标定的处理方法给实际使用和维护带来了很大的便利,具有一定的工程实用性。