高速旋转飞行体姿态传感器信号解调方法

研制的无驱动结构微机械陀螺可同时敏感高速旋转飞行体滚动角速度、输入角速度(俯仰和偏航角速合成的角速度)信息。为了将合角速度分解成偏航角速度和俯仰角速度,利用加速度计建立了空间基准,通过陀螺和加速度计输出信号的相位差,可确定飞行体空间偏转方向。阐明了该方法原理,分析了误差因素,对主要误差因素滚动角速度与合速度影响建立了复合影响数学模型,并进行了补偿。结果表明:通过该方法可以确定飞行体空间偏转方向,从而可将俯仰和偏航角速度分解出来。     

基于加速度计的陀螺三轴角速率提取算法研究

旋转弹载免驱动三轴MEMS陀螺的输出信号是横滚、偏航、俯仰3个角速度耦合在一起的特殊信号,如何解出弹体的3个角速度是研究的重点和难点.为解决这一问题,从旋转弹载免驱动三轴MEMS陀螺结构原理出发,分析了其输出信号.针对信号的特殊性,提出通过用重力加速度计的输出信号和陀螺的输出信号进行对比的方法来实现陀螺的三轴角速度的提...     

基于小波变换的无驱动结构微机械陀螺信号自旋频率的提取

针对一种新型陀螺,它能敏感旋转载体的俯仰、偏航和滚转角速度,敏感信号是一种调幅波信号,载波频率是自旋频率,包络是横向角速度。实际应用中,需要精确提取自旋频率。基于此,提出了一种提取载波频率的新的方法——小波变换构造解析函数法,对自旋频率解算算法进行了理论推导,并通过MATLAB软件对噪声比为30 dB的模拟陀螺调幅波信号进行了自旋频率的提取和误差分析,其中Hilbert变换相对误差为0.033 6,小波变换相对误差为0.017 8。对三轴精密转台实时测试的横向角速度为180°/s的陀螺信号进行了自旋频率的提取和误差分析,其中Hilbert变换相对误差为0.035 9,均方差MSE为7.915 9;小波变换相对误差为0.001 8,均方差MSE为0.293 7。小波变换较Hilbert变换求解自旋频率精度提高二十倍,降噪性能和频率稳定性更好。     

微石英音叉陀螺的方波驱动及解调电路研究

在分析微石英音叉陀螺的工作原理及电学特性的基础上,对微石英音叉陀螺的驱动电路和微弱角速度信号的提取方法进行了研究;论证了方波驱动的可行性,提出了在自激驱动回路中加入移相环节,使微石英音叉陀螺的驱动振动频率等于其机械谐振频率,分析了开关同步相敏解调在角速度信号的提取中的应用及其对噪声的抑制能力;设计并分析了一个用方波驱动微石英音叉陀螺,用开关同步相敏解调完成信号解调的电路,该电路结构简单,工作可靠,性价比高.     

硅微振动陀螺的理论分析

应用欧拉动力学基本方程，对双框架结构的硅微型振动陀螺进行了理论分析，给出了完整的陀螺动力学方程，并且从灵敏度和驱动技术的角度对这种陀螺的机理作了探讨。     

振动式微陀螺正交误差自补偿方法

微陀螺正交误差会影响陀螺的零偏稳定性,为了提高微陀螺的性能,必须减小正交误差。针对正交误差处理中存在的问题,推导了包含交叉耦合误差效应的驱动模态和检测模态的动力学方程,研究了交叉耦合误差引起的正交误差表达式,提出了一种正交误差闭环控制自补偿方法。通过将经正交误差幅值调幅控制的驱动位移信号闭环反馈作用到检测模态的输出,实现正交误差的自补偿。制作PCB电路测试了微陀螺的性能。正交误差自补偿后微陀螺零偏输出均值从778 mV减小到了2 mV,零偏稳定性从75°/h提高到了34.5°/h。实验结果表明,此方法是可行的。     

基于模糊树逆方法的高超飞行器变质心控制

本文针对高超飞行器变质心姿态动力学模型所具有的高度非线性、多变量、强耦合特性,通过合理的简化,得到了一个耦合的非线性动力学系统;根据简化模型的特点,将该模型分为俯仰偏航通道模型和滚动通道模型,通道间耦合视为扰动.应用模糊树模型逼近俯仰偏航通道的逆模型,实现了俯仰偏航通道解耦线性化,对各线性子系统设计闭环控制器,实现了飞行器俯仰偏航通道姿态角的跟踪;应用预测变结构方法保证了滚动通道的快速稳定并且无抖振现象.最后,将该方法应用于高超飞行器姿态系统控制的仿真研究,表明了本文方法的有效性和可行性.     

基于蜜蜂平衡棒的仿生MEMS导航传感器的设计与仿真

针对目前角速度传感器检测维数单一、体积大的缺点,以蜜蜂平衡棒为仿生模型,详细分析了平衡棒的导航原理,结合MEMS技术,设计了一种新型的三维角速度微传感器。利用ANSYS对传感器结构进行仿真、优化,得到了合适的结构尺寸,在±20 V的驱动电压下,传感器结构中的微柱体摆动幅度可达到7.04°,通过进一步理论计算得到翻滚、俯仰角速度产生的哥氏力为2.467×10-5N/(°.s-1),偏航角速度产生的哥氏力为7.58×10-7N/(°.s-1)。     

一种新型高效的激光陀螺抖动信号剥除技术研究与实现

激光陀螺的输出信号中包涵外界输入角速度、机械抖动角速度两部分信息,而机械抖动角速度是一个叠加了一定噪声的标准正弦振动;在此提出了一种正弦抖动剥除技术,能极大地衰减激光陀螺输出信号中的正弦分量,实现对陀螺输出信号的初步解调,并采用FPGA作为实现工具;文章首先对激光陀螺输出信号特性进行了分析,提出了一种新型的抖动剥除技术的理论模型;然后具体介绍了这种技术在FPGA上的实现方法;最后利用基于本技术设计的FPGA+DSP系统对某型号激光陀螺进行了测试,通过观察证明本方法能很好地实现激光陀螺正弦抖动剥除,剥除后的激光陀螺正弦幅值能衰减到原始值的1/70。     

三框架电容式硅微机械陀螺动力学分析

为了解决双框架陀螺在加工中不可避免的误差,提出了三框架电容式微机械陀螺系统。该系统由3个框架(即3个质量块)组成。采用静电差分驱动方式,梳状叉指电容,多个柔性杆设计使得该结构从理论分析和加工误差上解决了耦合现象。同时,通过提高中间框架的质量,使得陀螺的灵敏度大大提高。介绍了该三框架电容式微机械陀螺仪的工作原理,给出了所设计陀螺动力学方程的详尽推导和MAT-LAB仿真分析。     

微机械双框架陀螺仪的机理研究

微机械双框架陀螺仪是一种用于测量运动物体角速度的微型惯性器件。由于其尺寸的大幅度减少,使它在许多领域都有极其广泛的应用,是当今微米/纳米技术发展的一个主要方向。介绍了该陀螺仪的结构组成与工作机理,建立其力学模型,并在此基础上,主要对原理误差进行了定性的分析,得出了影响其精度的主要干扰源,为误差的补偿指明了方向。     

梳齿式微机械陀螺支撑系统的结构仿真与分析

微机械陀螺是利用哥氏(wriolis)效应测量角速度的一种角速率传感器.提出一种梳齿式微机械陀螺结构,并且使用有限元仿真软件ANSYS对陀螺中的关键部件--支承梁进行结构仿真,在仿真过程中分别采用了整体建模和简化建模的方法对支撑梁的弹性系数进行了分析比较,最终得出可以采用简化模型代替整体模型对微机械陀螺中的支撑梁进行分析的结论,为陀螺支撑系统的仿真和分析提出了新的思路.     

Structure design and fabrication of a novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope

A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of $ 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of 7.957deg/\texth/?{\textHz} 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} in air. The finite element simulation results verify the accuracy of analytical algorithms. The common mode acceleration error of device can be reduced by 97.6%. The device is fabricated by SOG (Silicon on Glass) micro fabrication technology. Some important performances are measured by experimental method. The micromechanical gyroscope can be used to estimate the rotation rate by further implementing the signal processing electronics.     

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响,导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。     

基于EKF的超流体陀螺噪声抑制方法

超流体陀螺是基于物质波萨格纳克效应的干涉式陀螺仪,存在输出噪声较大致使其高测量精度的潜力不能发挥等问题.为此,基于超流体陀螺的工作机理,推导其状态方程和测量方程,构建其运动模型.对测量方程在工作点处进行泰勒级数展开,将其线性化,提出超流体陀螺的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,从信号处理角度抑制该陀螺噪声.仿真结果表明,基于该方法得到的角速度测量值误差有了较大改善,超流体陀螺的测量精度有了显著提高.     

压电型微固体模态陀螺的相位差检测

压电型微固体模态陀螺是一种利用压电材料制作的新型固态微陀螺,具有高抗冲击、抗震动能力.陀螺主要部分为一压电质量块,研究发现其存在某阶特殊的振动模态作为原振动,通过感应哥氏力将敏感方向上输入的角速度转化为电信号.陀螺上设置有多个电极,各电极在工作状态下输出压电电压信号,通过检测电路测量信号间的相位差分析陀螺状态.TL714高速比较器将正弦信号转换为方波信号,通过TMS320F2812芯片采集数据进行处理,实现了对两路频率范围100 kHz~600 kHz信号的相位差检测.实验结果验证了该检测方法的有效性.     

Model and experiment of scale factor acceleration sensitivity of MEMS gyroscope in high acceleration environment

With the development of MEMS gyroscope, acceleration sensitivity is becoming an important factor in application. The acceleration sensitivity would produce an obvious output error, and researchers mainly focus on bias acceleration sensitivity. Yet, in environment of high acceleration and angular rate, it is the scale factor acceleration sensitivity that influences the output most, and there is little research on it. In this paper, scale factor acceleration sensitivity of MEMS gyroscope in high acceleration environment is investigated with our established theoretical model and experimental measurement. Based on our proposed method of measuring the acceleration sensitivity in environment of high acceleration and angular rate, the MEMS tuning fork gyroscope is used for the measurement. The results show that the output error caused by acceleration can be up to − 30.1°/s and the scale factor acceleration sensitivity contributes the most. The coefficient of scale factor acceleration sensitivity is 35 ppm/g under 50g acceleration, and this coefficient increases linearly with acceleration that coincides with theoretical model. Lastly, some suggestions of decreasing scale factor acceleration sensitivity are given. This work is useful for the researchers to improve the performance of acceleration sensitivity of MEMS gyroscope.

     

基于光纤陀螺侧滑角动态数据采集和处理

在基于光纤陀螺对风洞模型侧滑角的测试中,光纤陀螺动态数据采集和处理是研究的重点和难点.针对光纤陀螺输入输出特性建立ARMA模型,采用了工程上Simpson法则进行角度积分,并在该基础上进行了转台实验,这对于提高光纤陀螺的测量精度、实现侧滑角高精度测量具有重要的意义.