本文關鍵詞：多功能微機械陀螺及其應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

多功能微機械陀螺及其應用

時間:13-10-31

　　

 【摘要】 20世紀90年代,隨著微電子技術的發(fā)展,相繼出現(xiàn)各種樣式的微機械陀螺。盡管存在多種微機械陀螺設計方案,但是絕大多數(shù)方案是利用驅(qū)動結(jié)構(gòu)起振,引起質(zhì)量塊振動,通過敏感結(jié)構(gòu)敏感角速度。此類微機械陀螺一般只能敏感一個方向上的角速度。相對上述陀螺,本文研究的多功能微機械陀螺利用旋轉(zhuǎn)載體繞縱軸滾轉(zhuǎn)作為驅(qū)動,可以敏感旋轉(zhuǎn)載體縱軸方向的滾轉(zhuǎn)角速度和垂直于旋轉(zhuǎn)載體縱軸方向的橫向角速度。此外,配合地理坐標基準,可以將橫向角速度分解為偏航角速度和俯仰角速度。因此,多功能微機械陀螺能夠敏感三個方向的角速度,陀螺信號可以解算出包括橫向角速度、方位角、偏航角速度、俯仰角速度和滾轉(zhuǎn)頻率在內(nèi)的五個參數(shù),具有三個垂直安裝的一般速率陀螺的功能,適用于旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)控制。本文對多功能微機械陀螺及其應用進行了深入地探討。研究內(nèi)容包括：多功能微機械陀螺敏感偏航、俯仰及滾轉(zhuǎn)三個方向角速度的機理；多功能微機械陀螺結(jié)構(gòu)設計和制作工藝的改進；多功能微機械陀螺在單方向運動、圓錐運動和變滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運動中的性能特征；多功能微機械陀螺信號提取五個參數(shù)的方法；多功能微機械陀螺信號解算算法；多功能微機械陀螺在旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)控制中的應用。上述研究內(nèi)容難度大,實用性強,具有創(chuàng)新性。本文主要研究成果：(1)推導了多功能微機械陀螺動力學模型和誤差模型,理論論證了陀螺可以敏感旋轉(zhuǎn)飛行器偏航、俯仰及滾轉(zhuǎn)三個方向角速度的機理。根據(jù)多功能微機械陀螺設計參數(shù),仿真得出陀螺一階、二階、三階固有頻率和振動模態(tài)。(2)針對原陀螺制作掩膜版“分步對準”產(chǎn)生對準累積偏差問題,提出了“一步對準”設計方案,解決了芯片基準問題,有效地消除了前一步對準偏差對后一步對準產(chǎn)生的累積偏差,提高了芯片生產(chǎn)的一致性。解決了陀螺制作工藝中光刻曝光時間過長和光刻膠使用中的部分問題；分析了濕法刻蝕過程中芯片表面出現(xiàn)坑點問題的若干原因,并提出了相應的解決措施。(3)理論論證和試驗驗證了在單方向運動、變滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運動和圓錐運動中多功能微機械陀螺的性能特征。在圓錐運動中陀螺信號頻率不等于旋轉(zhuǎn)飛行器滾轉(zhuǎn)頻率,表明陀螺測量的是旋轉(zhuǎn)飛行器絕對運動,陀螺信號頻率(絕對運動頻率)等于旋轉(zhuǎn)飛行器滾轉(zhuǎn)頻率(相對運動頻率)和圓錐運動頻率(牽連運動頻率)的疊加。在變滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運動中陀螺標度因數(shù)和初始相位差的變化,提出多項式擬合陀螺標度因數(shù)和初始相位差的方法,在求解橫向角速度和方位角時使用對應滾轉(zhuǎn)頻率下的標度因數(shù)和初始相位差。(4)提出單個多功能微機械陀螺結(jié)合加速度計基準解算包括橫向角速度、方位角、偏航角速度、俯仰角速度、滾轉(zhuǎn)頻率在內(nèi)的五個參數(shù)方法。陀螺信號幅值(包絡)與橫向角速度成正比,方位角等于陀螺與加速度計相位差減去陀螺初始相位差,沿方位角將橫向角速度分解為偏航角速度和俯仰角速度。通過對偏航、俯仰及滾轉(zhuǎn)三個角速度進行積分,可得到偏航、俯仰及滾轉(zhuǎn)三個方向的角度。(5)編寫基于Matlab的多功能微機械陀螺信號解算算法。通過三軸轉(zhuǎn)臺試驗,驗證了算法的有效性。提出利用兩個垂直安裝的多功能微機械陀螺信號彼此正交的特點,用兩個信號代替原算法中的希爾伯特變換對,有效地提高了算法的實時性,并通過了試驗驗證。為保護算法的新穎性,編寫了圖形用戶界面的微機械陀螺信號解算軟件,并申請了軟件著作權(quán)。(6)調(diào)試了多功能微機械陀螺樣機,樣機輸出滿足偏航和俯仰角度測量范圍≤±10°,偏航和俯仰測量精度≤±1°,該測量范圍和測量精度適用于旋轉(zhuǎn)飛行器多通道控制。研究了多功能微機械陀螺在單通道控制中的用法。陀螺信號通過與線性化信號疊加,將陀螺信號的幅值信息(陀螺敏感輸入橫向角速度)轉(zhuǎn)化為最終控制信號過零點信息,實現(xiàn)單通道控制。(7)研究線振動和沖擊對多功能微機械陀螺的影響。線振動試驗前中后陀螺零偏變化為1mV左右。沖擊試驗表明由于陀螺擺片偏心,陀螺在受到厚度方向的沖擊時擺片繞扭轉(zhuǎn)梁發(fā)生了偏擺。提出了通過增加陀螺扭轉(zhuǎn)梁厚度的方法,減小陀螺在單位沖擊加速度下的擺角幅度。試驗證明陀螺扭轉(zhuǎn)梁增厚約1/3倍,陀螺沖擊響應信號幅值和寬度減小約18倍。 

 

【關鍵詞】 微機械陀螺； 多功能； 圓錐運動； 單通道控制； 多通道控制； 

 

 

 

 

 

摘要 5-7

ABSTRACT 7-10

第一章 緒論 15-40

    1.1 研究背景及意義 15-19

        1.1.1 三自由度陀螺在飛行器上的應用 15-16

        1.1.2 二自由度陀螺在飛行器上的應用 16-18

        1.1.3 本文研究意義 18-19

    1.2 國內(nèi)微機械陀螺研究現(xiàn)狀 19-25

    1.3 國外微機械陀螺的發(fā)展歷程 25-37

    1.4 論文的研究對象、內(nèi)容和方法 37-38

        1.4.1 研究對象 37

        1.4.2 需要解決的問題 37-38

    1.5 論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 38-40

第二章 多功能微機械陀螺的原理與設計 40-67

    2.1 陀螺原理 40-46

        2.1.1 動力學模型 40-44

        2.1.2 誤差模型 44-46

    2.2 陀螺總體設計和制作 46-55

        2.2.1 陀螺結(jié)構(gòu) 46

        2.2.2 陀螺芯片結(jié)構(gòu)仿真 46-47

        2.2.3 陀螺芯片制造工藝流程 47-49

        2.2.4 陀螺芯片制造掩膜版改進 49-53

        2.2.5 陀螺光刻工藝技術問題 53

        2.2.6 陀螺光刻工藝技術措施 53-54

        2.2.7 陀螺刻蝕工藝技術問題 54

        2.2.8 陀螺刻蝕工藝技術措施 54-55

    2.3 陀螺檢測電路設計 55-65

        2.3.1 方波發(fā)生電路 56

        2.3.2 電橋檢測電路 56-58

        2.3.3 電橋信號差分放大器電路 58-59

        2.3.4 第一級運放電路 59-61

        2.3.5 第二級運放電路 61-62

        2.3.6 第三級運放電路 62-63

        2.3.7 全電路傳遞函數(shù)分析 63-65

    2.4 本章小結(jié) 65-67

第三章 多功能微機械陀螺的性能特征 67-94

    3.1 單方向運動中多功能微機械陀螺信號分析 67-70

    3.2 圓錐運動中多功能微機械陀螺信號分析 70-76

        3.2.1 圓錐運動合成 70-72

        3.2.2 圓錐運動仿真試驗 72-74

        3.2.3 相對運動與牽連運動 74-76

    3.3 坐標系的建立和偏航俯仰方向判別 76-83

        3.3.1 加速度計信號與轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)信號相位關系 76-78

        3.3.2 陀螺信號與轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)信號相位關系 78-80

        3.3.3 陀螺信號與加速度計信號相位關系 80-83

    3.4 變滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速運動中多功能微機械陀螺信號分析 83-88

        3.4.1 陀螺信號幅度與滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的關系 83-84

        3.4.2 陀螺標度因數(shù)與滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的關系 84-86

        3.4.3 陀螺初始相位差與滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的關系 86-88

    3.5 陀螺靜態(tài)性能測試 88-92

        3.5.1 標度因數(shù)試驗方法 88-89

        3.5.2 標度因數(shù)計算方法 89

        3.5.3 標度因數(shù)非線性計算方法 89

        3.5.4 標度因數(shù)對稱性計算方法 89

        3.5.5 標度因數(shù)重復性計算方法 89-90

        3.5.6 量程驗證方法 90

        3.5.7 閾值試驗方法 90

        3.5.8 閾值計算方法 90

        3.5.9 分辨率試驗方法 90

        3.5.10 分辨率計算方法 90

        3.5.11 零偏試驗方法 90-91

        3.5.12 零偏計算方法 91

        3.5.13 零偏穩(wěn)定性計算方法 91

        3.5.14 零偏重復性計算方法 91

        3.5.15 零偏溫度系數(shù)試驗方法 91

        3.5.16 零偏溫度系數(shù)計算方法 91-92

        3.5.17 測試數(shù)據(jù)匯總 92

    3.6 本章小結(jié) 92-94

第四章 多功能微機械陀螺的信號解算 94-128

    4.1 理論基礎 94

    4.2 算法推導 94-95

    4.3 算法實現(xiàn) 95-100

        4.3.1 信號去噪處理 95-97

        4.3.2 信號峰值獲取 97

        4.3.3 求解絕對滾轉(zhuǎn)頻率和相對滾轉(zhuǎn)頻率 97-98

        4.3.4 求解陀螺標度因數(shù)和初始相位差 98

        4.3.5 求解陀螺橫向角速度 98

        4.3.6 求解方位角 98-99

        4.3.7 求解偏航及俯仰角速度和角度 99-100

    4.4 信號解算試驗 100-117

        4.4.1 算法驗證試驗 100-112

        4.4.2 大擺角試驗 112-115

        4.4.3 長時間累加試驗 115-117

    4.5 雙陀螺快速解算滾轉(zhuǎn)角速度理論基礎 117-119

    4.6 雙陀螺信號解算試驗 119-122

    4.7 微機械陀螺姿態(tài)解算程序V1.0 122-126

        4.7.1 數(shù)據(jù)導入 122-123

        4.7.2 初始值設定 123

        4.7.3 數(shù)據(jù)解算 123-124

        4.7.4 數(shù)據(jù)查看 124

        4.7.5 數(shù)據(jù)保存 124

        4.7.6 其他功能 124-125

        4.7.7 軟件升級 125-126

    4.8 本章小結(jié) 126-128

第五章 多功能微機械陀螺在旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應用 128-150

    5.1 多功能微機械陀螺用于多通道控制的分析 128-134

        5.1.1 技術要求 128

        5.1.2 調(diào)試方法 128-130

        5.1.3 試驗結(jié)果 130-133

        5.1.4 試驗結(jié)論 133

        5.1.5 微機械陀螺姿態(tài)解算程序V2.0 133-134

    5.2 多功能微機械陀螺用于單通道控制的分析 134-138

    5.3 線振動對陀螺信號的影響 138-140

        5.3.1 線振動試驗工況 138-139

        5.3.2 線振動試驗步驟 139

        5.3.3 線振動試驗結(jié)果和結(jié)論 139-140

    5.4 陀螺抗沖擊性研究 140-149

        5.4.1 原因分析 142-144

        5.4.2 結(jié)構(gòu)改進機理 144-145

        5.4.3 增厚梁陀螺抗沖擊驗證試驗 145-148

        5.4.4 增厚梁陀螺抗沖擊對比試驗 148-149

    5.5 本章小結(jié) 149-150

第六章 結(jié)束語 150-153

    6.1 本文主要研究成果及創(chuàng)新點 150-151

    6.2 后續(xù)工作展望 151-153

參考文獻 153-164

附錄 硅微機械陀螺儀姿態(tài)解算軟件 164-172

致謝 172-173

攻讀博士學位期間的學術成果 173-175

攻讀博士學位期間參與的科研項目 175

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  本文關鍵詞：多功能微機械陀螺及其應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：162415