基于频率解调的半球谐振陀螺控制系统设计

与力平衡模式相比,半球谐振陀螺的全角模式具有测量范围大及线性度高等优点。该文针对现有全角模式解调方案里驻波方位角计算过程中存在的精度损失,以及输出对温度变化敏感等问题,以行波线性叠加原理为基础,提出基于顺时针、逆时针行波同步频率解调的半球谐振子驻波信息解算方法。设计基于频率解调的全角模式半球谐振陀螺多回路控制方法,实现驻波的频率、幅度及正交控制。针对现场可编程门阵列(FPGA)电路算法优化难及浮点运算精度低等问题,设计并实现了现场可编程门阵列+数字信号处理(FPGA+DSP)双核心半球谐振陀螺数字控制电路。通过实物实验验证了该文提出的控制方案及数字控制电路的有效性。实验结果表明,此方法可减小由温度波动引起的谐振频率改变对陀螺输出的影响。     

基于半球谐振陀螺电极刻蚀的三维平衡调整方法

曲面电极刻蚀技术是半球谐振陀螺的关键技术之一。为满足半球谐振陀螺高精度和高性能的要求,针对激励罩和读出基座的电极刻蚀工艺,该文提出了一种新的调整方法——三维平衡调整法。通过X、Y、Z方向的位移传感器检测器件与参考平台的间距,根据间隙差距的大小进行相应的调整。试验验证表明,该方法能有效减小半球谐振陀螺电极刻蚀的误差,满足器件的各项性能参数。该方法原理简单,具有定位精度高,工艺易实现的优点,对半球谐振陀螺电极刻蚀工艺具有较好的工程应用价值。     

周向漂移对全角模式半球陀螺性能的影响

全角模式半球陀螺在海陆空领域有广泛的应用前景。制造误差的存在将导致陀螺存在周向漂移。该文分析了周向漂移的特点,讨论了陀螺零偏对惯导系统定位误差的影响,从系统角度对周向漂移的影响进行了分析,并对周向漂移两种处理方法的可行性进行了分析。分析表明,周向漂移影响舒拉周期振荡的幅度,但不会引起经度误差发散,经度误差发散由残余零偏引起。陀螺周向漂移的大小不等同于陀螺最终性能的漂移,对于精度为0.05~0.1 （°）/h的陀螺,周向漂移控制在30 （°）/h内即可。     

基于自校准技术的半球谐振陀螺正交误差的辨识补偿

在静电刚度校正技术的基础上,结合自校准算法,该文提出了一种实时辨识补偿正交误差的理论模型,并在两件套平面电极的半球谐振陀螺上进行了理论仿真和实验验证。结果表明,该方法不仅适用于半球谐振陀螺的力平衡和全角两种工作模式,还适用于虚拟进动的情况。此外,该文提出的补偿方法不会影响正交环路的控制精度,且对陀螺检测和驱动电路的增益和相位误差不敏感。     

基于有限元法的半球谐振陀螺谐振子分析

利用有限元分析软件ANSYS,建立了半球谐振陀螺核心部件谐振子有限元模型并进行了模态分析,确定了各阶振动形式和频率,通过与实际测试结果比较,验证了模型的合理性和准确性。分析谐振子结构参数对各阶振型和频率的影响,对其进行了优化设计。优化后的结构工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免谐振子的工作谐振与其他各阶振动的模态耦合。     

基于工程应用的半球谐振陀螺结构设计研究

半球谐振陀螺仪(HRG)是极具发展前景的新型固态波陀螺仪,其发展的关键是如何设计制造出精致可靠的陀螺结构部件.该文以工程应用中成熟半球陀螺半径尺寸为例,对谐振子部件几何尺寸中壁厚和轴柄半径的设计从抗模态干扰方面提出优化建议,并首次将抗冲击过载能力纳入优化设计考量因素中,通过COMSOL软件仿真得出壁厚和轴柄半径取值范围...     

长寿命半球谐振陀螺真空保持技术

半球谐振陀螺是一种高精度长寿命的陀螺仪,具有小型化和轻量化的特点,最长具备连续工作15年的能力。随着半球陀螺的长时间工作,受材料放气和焊缝漏率的影响,真空度的下降对陀螺谐振子的精度影响逐渐增大,又因陀螺轻量化的要求,需要精确计算寿命期间的出气总量,以严格控制吸气剂的用量。该文分析了陀螺在工作过程中的出气类型,从材料放气、焊缝漏率、氢气渗透3个维度建立数学模型,得出工作过程中的出气总量,并建立陀螺流体模型,给出吸气剂的用量和初始工作条件。研究结果表明,对于吸气量大于4.12 Pa·L的半球陀螺,选用St172型吸气剂450 mg,可以满足长寿命工作的要求。本研究为半球谐振陀螺的长寿命真空保持提供理论。     

基于MODBUS协议的半球陀螺控制软件设计

采用了MODBUS协议作为半球谐振陀螺(HRG)数字控制电路系统的通讯协议,介绍了半球陀螺的控制原理和MODBUS协议,给出了软件具体设计途径。经过实践应用,采用MODBUS协议能很好地满足半球陀螺数字控制电路的开发要求。     

基于UPF的半球谐振陀螺平台自对准技术研究

针对静基座条件下大方位失调角时,平台自对准回路存在严重非线性的问题,设计了一种基于无迹粒子滤波技术的半球谐振陀螺平台自对准方案,并进行了数值仿真和转台试验验证。结果表明,此方法可缩短对准时间,具有算法简单,实用性强,对准精度高等特点,为半球谐振陀螺在平台中的应用进行了探索。     

基于UPF的半球谐振陀螺平台自对准技术研究

针对静基座条件下大方位失调角时,平台自对准回路存在严重非线性的问题,设计了一种基于无迹粒子滤波技术的半球谐振陀螺平台自对准方案,并进行了数值仿真和转台试验验证。结果表明,此方法可缩短对准时间,具有算法简单,实用性强,对准精度高等特点,为半球谐振陀螺在平台中的应用进行了探索。     

检测误差对半球谐振陀螺进动因子的影响分析

全角(WA)模式的半球谐振陀螺(HRG)进动因子只与球壳谐振子的物理尺寸有关,但由于读出电极非正交耦合及间隙失配、检测电路增益误差等检测误差,导致进动因子的周向一致性退化。该文首先对理想半球谐振陀螺的进动因子进行了理论推导,然后针对检测误差对进动因子的影响进行了分析,结合具体的全角模式控制电路与算法,提出了检测误差的校正方法,最后通过实验验证了该校正方法的有效性。实验结果表明,进动因子的周向一致性提升了2个数量级。     

基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺

微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同腐蚀窗初始半径下HNA腐蚀溶液对〈111〉单晶硅进行纵向和侧向腐蚀时,其腐蚀深度和腐蚀速率的演化规律,并在此基础上通过设置适当的腐蚀窗初始半径(5μm)以及腐蚀时间(15 min),成功制作出了半径为38.937 7μm的三维对称半球谐振子模具,通过球度拟合证明该模具整体半径方差为0.789 3μm,球度偏差为2%,为半球谐振子三维对称性的提升奠定了基础。     

半球谐振陀螺质量缺陷误差振动研究

半球谐振陀螺仪是依靠半球薄壳振动来敏感载体角度变化的惯导级固体器件,球壳质量缺陷导致的误差振动是影响陀螺仪精度的重要原因。分析误差振动的来源,如何尽量减小球壳的误差振动及开展残余误差振动控制技术研究,是获得高精度半球谐振陀螺的前提条件。     

基于虚拟科氏力的半球谐振陀螺带宽电学自标定方法

半球谐振陀螺是一种高精度的惯性器件,在航空航天等领域有着重要的应用,但其本征带宽较低,对其力平衡控制回路及带宽测试方法要求较高。该文提出一种新型的基于虚拟科里奥利力的半球陀螺带宽电学快速测试方法,可代替角振动台等昂贵仪器对半球陀螺进行迅速自标定,从而为半球陀螺的高性能控制回路设计方法和批量化测试提供一种新的技术解决方案。首先在基础理论层面分析半球谐振陀螺动力学方程,建立起本征带宽系统模型,为虚拟电旋转的引入和自标定方法提供了理论基础。随后设计了基于虚拟科氏力的电旋转激励信号,并将其集成到陀螺接口电路系统中。最后设计了力平衡控制回路,并对该电学自标定方法进行了实验验证。实验结果表明,虚拟电旋转法能在不借助外部设备的情况下,有效准确地对半球陀螺带宽进行测试和标定,从而有效地促进高性能力平衡控制方法的开发和提高半球陀螺带宽测试效率。     

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。     

高精度半球陀螺球面电极刻蚀

半球谐振陀螺球面电极的刻蚀精度直接影响了谐振子驻波的控制准确性,以及在特定方位角读出信号采集的精度。该文采用激光对准的方式实现了半球陀螺超高对称球面电极的刻蚀,克服了传统对准法的低精度缺陷,将控制电极和读出电极的位置偏差角降低1个数量级(误差角±0.2°),有效提高了半球谐振陀螺制造精度。     

半球陀螺金属化膜层的均匀性模拟分析

该文将光学模拟技术与镀膜工艺结合,采用光线追踪程序来模拟溅射粒子在振子表面膜层的分布状态。通过模拟和相关实验验证,当设备相对角度β=10°、φ=60°时,振子表面膜层的均匀性最高,模拟值与实际测试值匹配度较好,误差在7%以内。     

半球陀螺敏感单元充放电效应防护设计与分析

半球陀螺作为卫星姿态控制系统的核心部件,在空间应用领域受到辐射环境的影响,其充放电效应是威胁卫星安全的重要因素之一。该文介绍了半球陀螺敏感单元空间、充放电效应的影响,分析了敏感单元的材料基底,提出了充、放电效应防护设计、敏感单元外壳屏蔽层厚度设计与分析等措施,减小了敏感表头充放电效应的影响。分析与试验结果表明了该设计的可行性和实用性。