弹载测姿测量系统抗高过载技术研究

近年来,高新科技在军事领域迅速发展。对于未来的局部战争、炮弹射程、打击精度及机动速度等均是取得快速胜利的重要指标。因此,现在研究炮弹的制导化很有必要。在弹载制导系统中,弹体姿态测量系统是重要部分。该文对炮弹在高过载情况下的可靠性问题进行了研究,并针对高过载环境提出了一种基于微机电系统(MEMS)惯性器件弹载测量系统的抗高过载方法,通过有限元分析仿真和马歇特试验,对其抗高过载性能的设计进行了可行性分析与验证。试验结果表明,该文的抗高过载技术方案降低了在高过载环境下对弹载姿态测量系统的影响,能抵抗高冲击,达到了MEMS惯性姿态测量系统抗高过载特性的要求。     

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s~2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。     

惯性器件环境模型建立方法

MEMS、FOG是近年来迅速发展起来的新型惯性器件,与传统陀螺仪相比,具有体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高等特点。但其性能受环境条件影响较大。因此,在设计惯性系统时,建立惯性器件环境模型很有必要。本文从陀螺建模出发,分析了环境条件对陀螺输出的影响,并详细介绍了惯性器件环境模型的建立方法。     

MEMS传感器

MEMS传感器成为全世界增长最快的产品之一，MEMS产品的可靠性高，技术附加值高，市场回报率大于传统产业。MEMS传感器与系统将会有更大的市场增长，惯性测量器件、微流量器件、光MEMS器件、压力传感器、加速度传感器、微型陀螺和汽车领域应用的MEMS器件(压力传感器、加速度传感器、微型陀螺)等的应用将具有巨大的潜力。     

基于MEMS的测姿定向方法研究

针对 MEMS 惯性器件精度较低,MEMS 惯导系统无法满足平台姿态精度要求的问题,本文提出了一种基于 MEMS 器件的测姿、定向方法。当载体近匀速运动时,利用加速度计和磁力计信息,采用垂直陀螺原理得到高精度的姿态信息,通过卡尔曼滤波估计出陀螺漂移,载体非近匀速运动时采用惯性姿态递推更新算法,补偿修正力矩和陀螺漂移误差,提高了载体的测姿定向精度。实验测试结果表明,采用本文的测姿定向方法后 MEMS 系统的姿态精度达到了 0.6°, 精度明显高于传统方法的精度,能够满足大多数中高精度平台的要求。     

一种解耦硅MEMS陀螺结构优化及性能仿真

以高机械灵敏度为设计目标,对一种解耦硅MEMS陀螺进行了结构优化,并利用有限元分析软件ANSYS对该MEMS陀螺进行了模态、应力、位移、抗过载及谐响应仿真分析,确定并验证了高灵敏度MEMS陀螺的结构优化原则。优化后的硅MEMS陀螺驱动和检测模态谐振频率分别为3700与3718Hz,机械灵敏度可达0.95nm/(°/s),能够承受500g的冲击载荷,并且能够实现驱动模态和检测模态解耦。     

MEMS加速度计可靠性评价技术

MEMS加速度计是动作识别设备、姿态控制设备等电子设备的核心器件,其功能失效会严重影响设备的可靠性。而目前国内外还没有MEMS器件的可靠性实验标准,这在一定程度上制约了MEMS加速度计的应用与发展。针对该现状,深入研究了MEMS加速度计敏感部件的失效模式及失效机理,得到了典型环境应力与器件失效的关系,分析了加载环境应力可能导致器件失效的环境实验,并选取了相应的MEMS加速度计产品进行了可靠性实验验证,得出了MEMS加速度计可靠性评价的初步试行方案。     

MEMS微陀螺仪研究进展

回顾了MEMS微陀螺仪的研究进展,简单介绍了MEMS微陀螺仪的市场应用。微陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场,这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求,也可以向低精度商品化发展。传统的振动式陀螺,由于原理的局限性和加工技术的限制,很难达到战术级和惯性级的要求。导航级集成微陀螺(NGIMG)项目建议使用其他途径,以减少器件的可移动部件和降低工艺难度,从而提高其精度和抗干扰能力。各种设计方法近年来层出不穷,其中悬浮转子式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪,微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力和发展空间。     

基于激光陀螺平台的船载姿态定位系统

为确保船载卫星接收机能够得到自身实时、准确的姿态信息,考虑到低成本的要求,采用微机电系统(MEMS)惯性器件设计接收机用姿态定位系统。利用船头部的高精度激光陀螺导航系统来组合尾部的MEMS惯导系统,对MEMS捷联惯导系统的误差进行了分析并建立组合导航系统的动态模型,利用Sage-Husa自适应滤波器对惯导系统的误差进行估计,对MEMS惯导系统的姿态解算结果予以修正,以解决MEMS惯导姿态精度低的问题,试验验证方案可行。     

梳齿式MEMS加速度计在冲击下的失效分析

对Si基梳齿式MEMS加速度计在冲击下进行了失效分析,验证了其主要失效模式,分析了其失效机理。通过机械冲击实验并采用扫描电镜(SEM)、X射线透视系统、扫描声学显微镜(SAM)观察及电性能测试等分析技术,研究了梳齿式MEMS加速度计在冲击载荷下的结构与封装失效,运用材料力学理论加以分析论证,发现悬臂梁断裂是较为主要的失效模式,且此类器件的封装失效主要表现为气密性失效和装配工艺失效,为MEMS器件的可靠性设计提供了重要依据。     

新型惯性技术发展及在宇航领域的应用

载体运动信息动态精确测量技术是现代各类运载体导航、制导与控制的前提,惯性技术是在各种复杂环境条件下自主地建立运动载体的方位、姿态基准的唯一有效手段,因而是载体运动信息精确测量的基础。文中详细介绍了光学惯性仪表及系统、MEMS惯性仪表、原子惯性仪表、其他惯性仪表、微型定位导航授时技术和惯性执行结构等新型惯性技术的发展历程,在宇航应用中需要解决的主要技术问题,阐述了惯性技术在宇航领域的应用情况和未来的发展需求和趋势。     

微惯性测量单元设计及抗高过载性能分析

针对高过载环境下制导弹药内部空间约束及运动参数难以精确测量的问题,该文设计了一种框架式嵌入结构型的微惯性测量单元(MI MU)结构.MI MU由三轴微机械陀螺仪和三轴微机械加速度传感器组成,通过合理配置传感器的安装方式和优化内部空间布局,极大地减小了MI MU的质量和体积.整体结构采用高强度金属材料和特殊的灌封工艺,保...     

基于改进小波变换的MEMS陀螺信号去噪算法

为提高MEMS陀螺仪测量精度,抑制测量噪声对其造成的影响,该文分析了某型号MEMS陀螺仪误差特性,提出基于递归最小二乘法(RLS)多重小波分解重构的强追踪自反馈模型,建立新的软阈值函数。由于模型处理后的数据带有部分奇异值,该文提出了一种改进的中值滤波算法。对于陀螺仪零偏噪声问题,提出零偏不稳定性抑制算法,并对该算法模型进行了详细的描述。将某项目研究中列车姿态测量系统的实验数据应用到该算法模型中。测试实验分为静态、动态两组,其结果均表明:该算法减小了信号中的噪声,有效地抑制了MEMS陀螺仪随机漂移,提高了姿态解算的精度。肯定了该算法对陀螺仪输出信号噪声去除,以及使用精度提升的可行性和有效性。     

基于TMS320F28335的气球吊篮姿态监测装置设计

针对气球吊篮对姿态控制的要求,本文给出以TMS320F28335为平台,开发设计出具有姿态数据采集、姿态数据处理、以及姿态实时监测功能的装置.姿态监测装置中用MEMS电子陀螺仪和地磁计获得姿态的采样数据,采样数据通过TMS320F28335解算为航偏角、俯仰、横滚三姿态数据,PC作为显示终端监控姿态实时变化,装置能够满足气球吊篮对姿态监控和测量的要求.     

MEMS陀螺漂移误差抑制方法研究

MEMS陀螺漂移误差是影响惯性测量系统精度的主要误差源,针对这一问题,引入旋转调制方法和卡尔曼滤波方法,利用旋转调制方法抑制陀螺的常值漂移,利用卡尔曼滤波方法减小随机漂移,并进行了仿真和实验,对调制和滤波前后惯性测量系统的姿态角误差进行了对比,结果表明,利用旋转调制技术和卡尔曼滤波方法分别减小陀螺的常值漂移漂移和随机漂移后,由这两种漂移误差引起的姿态角误差明显减小,惯性测量系统的测量精度显著提高。     

High‐precision attitude determination and control system design and real‐time verification for CubeSats

This paper presents the design and real‐time verification of a high‐precision and low‐cost attitude determination and control system (ADCS) for CubeSat based on a micro‐electro‐mechanical (MEMS) gyroscope. The CubeSat new missions require accurate and sophisticated ADCS with attitude drift adjustment. Moreover, designing an effective ADCS for the CubeSat poses a difficult challenge. The satellite comprises of a two‐unit CubeSat, which denotes that the ADCS is designed with small size, tight mass, and energy limitations. The ADCS has been enhanced in the former few years from fairly small resolution of 10 to around 0.6 m. This attitude drift, if not properly compensated, will cause a slow attitude information loss as the error in attitude rises between the actual and estimated. To correct the attitude adrift, the proposed system utilizes a MEMS gyroscope sensor which offers a comparative attitude to the Kalman filter for estimated attitude update. Real‐time verification and validation for the ADCS are performed through Matlab/Simulink environment and lab testing to prove the efficacy of the proposed system. Simulation of the ADCS shows accurate results with error of no more than 1°.     

MEMS超级电容器研究进展

基于微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术的微型超级电容器是一种以微纳米结构形式实现储能的微型能量存储器件,具有高比容量、高储能密度和高抗过载能力等特点,在MEMS微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。分析了超级电容器的基本原理和种类,系统综述了MEMS超级电容器的国内外研究现状,重点讨论了基于MEMS加工技术的超级电容器制造方法和优势,从材料、结构设计、加工工艺方面分析了MEMS超级电容器存在的技术瓶颈问题,并展望了其未来的发展趋势和应用需求。     

Reliability of vacuum packaged MEMS gyroscopes

The greatest challenge for the successful commercialization of MEMS (micro-electro-mechanical system) technology is proving its reliability. Of concern in particular are the reliability and long-term stability of wafer level vacuum packaged MEMS gyroscope sensors subjected to cyclic mechanical stresses at high frequencies. In this study, we carried out several reliability tests and investigated the failure mechanisms of the anodically bonded vacuum gyroscope sensors designed for commercial electronic products. Particularly we studied mechanical reliability issues such as fatigue, shock, and vibration. It was found that successful vacuum packaging could be achieved through the optimization of the bonding process by reducing leakage and the deposition of titanium coating for reducing out-gassing inside the cavity. The effects of the pre-baking process are also described in this study. The current design of the gyroscope structure is found to be safe from fatigue failure for the 1000 h of operation test. The MEMS gyroscope sensor survives the drop and vibration qualification tests for electronic products without any damage, indicating the robustness of the sensor. The reliability test results presented in this study demonstrate that the MEMS gyroscope sensor is very close to commercialization.