本文關(guān)鍵詞：多功能微機械陀螺及其應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京郵電大學(xué)》 2012年

多功能微機械陀螺及其應(yīng)用

嚴慶文  

【摘要】：20世紀90年代,隨著微電子技術(shù)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(dǎo)了多功能微機械陀螺動力學(xué)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(luò))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(yīng)信號幅值和寬度減小約18倍。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH703
【目錄】：

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7 陳雪萌;一種壓阻式微機械陀螺的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2005年

8 劉廣軍;音叉振動式微機械陀螺結(jié)構(gòu)拓撲自組織設(shè)計方法的研究[D];上海交通大學(xué);2007年

9 楊金顯;微慣性測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

10 李偉劍;微機電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化[D];西北工業(yè)大學(xué);2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 郭俊敏;電容式微機械陀螺電路設(shè)計與測試技術(shù)[D];北京郵電大學(xué);2010年

2 李亞山;微機械陀螺儀的封裝研究[D];中北大學(xué);2011年

3 鄒江;微機械陀螺信號采集系統(tǒng)設(shè)計及濾波方法研究[D];中北大學(xué);2012年

4 溫祖強;微型航姿參考系統(tǒng)中微機械陀螺溫度誤差及補償算法研究[D];上海交通大學(xué);2011年

5 趙幸娟;電容式微機械陀螺外圍接口電路的設(shè)計與測試[D];中北大學(xué);2012年

6 黃小振;電容式振動微機械陀螺接口電路的設(shè)計、模擬與測試[D];中國科學(xué)院上海冶金研究所;2001年

7 蔣慶華;音叉電容式微機械陀螺接口電路設(shè)計研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2004年

8 陳丹;基于雙單片機的陀螺儀自反饋系統(tǒng)的研究[D];天津大學(xué);2012年

9 王晨曦;MEMS陀螺外圍信號處理電路數(shù)字化初步研究[D];浙江大學(xué);2006年

10 韓磊;電磁式微機械陀螺檢測電路設(shè)計[D];華北電力大學(xué)（北京）;2008年

  本文關(guān)鍵詞：多功能微機械陀螺及其應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：162416