【摘要】：隨著慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,一些新的應(yīng)用領(lǐng)域,如隧道挖掘、頁巖油鉆探、炮彈精確制導(dǎo)等,需要一種制作工藝門檻低,能夠在高過載、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作的陀螺儀。本論文為滿足這些需求,在深入研究陀螺機(jī)理之后,對(duì)已有的小量程錐形諧振陀螺進(jìn)行大量程改進(jìn),并研究了改進(jìn)后陀螺的頻率裂解抑制、振動(dòng)控制與信息處理問題,主要工作和創(chuàng)新內(nèi)容包括:(1)提出一種帶隔離孔的圓錐殼結(jié)構(gòu)振子,建立了該型振子的振動(dòng)模型;提出振子換能效率的概念,利用有限元法分析了振子的換能效率、品質(zhì)因數(shù)、工作模態(tài)的自振頻率與振子結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、壓電電極參數(shù)之間的關(guān)系;以此為依據(jù),按照大量程陀螺對(duì)振子力學(xué)特性的需求,提出降低振子的品質(zhì)因數(shù)以增大陀螺量程,并通過對(duì)振子參數(shù)優(yōu)化提高了振子的換能效率,以彌補(bǔ)由振子品質(zhì)因數(shù)降低帶來的陀螺性能損失;分析了參數(shù)優(yōu)化后的圓錐殼振子在不同軸向上的抗過載性能,得出了振子軸向抗過載能力強(qiáng),側(cè)向抗過載能力弱的結(jié)論。(2)分析了帶隔離孔的圓錐殼振子的頻率裂解問題;在難以求得帶隔離孔振子振型函數(shù)解析解的情況下,利用軸對(duì)稱殼體的對(duì)稱性特點(diǎn),建立了一種基于等效缺陷質(zhì)點(diǎn)的振子缺陷模型,基于該模型提出了在振子上添加修形質(zhì)點(diǎn)抑制其頻率裂解的方法,得出了修形質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量、添加位置和質(zhì)量大小;通過有限元仿真討論了等效缺陷質(zhì)點(diǎn)模型假設(shè)中忽略掉的模態(tài)形狀變化對(duì)頻率裂解抑制方法效果的影響,提出在頻率裂解修形前加入振型修形,以進(jìn)一步提高頻率裂解抑制效果;分析過程中沒有對(duì)振子的振型函數(shù)做限制,所以得出的頻率裂解抑制方法適用于所有軸對(duì)稱殼振子。(3)設(shè)計(jì)了大量程圓錐殼型諧振陀螺的信號(hào)檢測處理系統(tǒng);提出一種基于信號(hào)相關(guān)性分析的敏感軸信號(hào)分離方法,將敏感軸的輸出信號(hào)映射為二維平面空間中的向量,利用向量的平行四邊形法則將信號(hào)分解為與輸入角速率有關(guān)的陀螺信號(hào)和與輸入角速率無關(guān)的干擾信號(hào);分析了振子的參數(shù)變化、殘余頻率裂解對(duì)敏感軸信號(hào)分量的影響,總結(jié)得出頻率裂解引起的振型偏移角與敏感軸信號(hào)分量的相互影響關(guān)系,完成了大量程陀螺信號(hào)的提取,提高了陀螺信號(hào)與輸入角速率的線性相關(guān)性�；谝陨涎芯砍晒�,完成了大量程圓錐殼型諧振陀螺原理樣機(jī)制作;經(jīng)測試,該樣機(jī)的量程為±3600o/s、標(biāo)度因數(shù)非線性度為0.5%、零位穩(wěn)定性為14.93o/h、角度隨機(jī)游走為2.38o/h~(1/2)、分辨率為0.3o/s、抗過載能力12500g。
【圖文】：

激光陀螺光纖陀螺半球諧振陀螺圓杯諧振陀螺MEMS 諧振陀螺10-4 /h10-2 /h10-4 /h10-1 /h10-1 /h高中高低高高中高低低500g500g1000g>1000g>1000g較大較大較小非常大非常大表 1.1 列舉了前文所述幾類陀螺的性能特點(diǎn)[1, 3, 15, 27-30]。由于機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺主平臺(tái)的穩(wěn)定，所以陀螺的主要考察指標(biāo)就是陀螺的精度水平，對(duì)于陀螺的動(dòng)沒有要求。光學(xué)陀螺擁有不錯(cuò)的精度和量程，，并具備一定的抗過載能力，但作工藝要求非常高。表中諧振陀螺儀的抗過載能力整體優(yōu)于其他類型陀螺，杯諧振陀螺。同時(shí)該陀螺還具備部件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡單，工藝要求低的特點(diǎn)年來，隨著信息技術(shù)、納米技術(shù)、生物技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，理、新結(jié)構(gòu)的陀螺儀層出不窮，對(duì)慣性技術(shù)的發(fā)展起到了有力的促進(jìn)作用，有潛力的幾類陀螺，如光子晶體陀螺、微光機(jī)電陀螺和原子陀螺，其技術(shù)水不成熟，所以目前都處于試制階段[1, 32]。

（a）發(fā)射平臺(tái) （b）制導(dǎo)炮彈 （c）精確打擊圖 1.2 國防領(lǐng)域慣性測量的新需求在國防領(lǐng)域，素有戰(zhàn)爭之神的傳統(tǒng)火炮，也需要在現(xiàn)代軍事裝備發(fā)展日新月異的情況下抓緊實(shí)現(xiàn)自身的智能化、信息化。其中常規(guī)炮彈的精確制導(dǎo)化是火炮這種傳統(tǒng)遠(yuǎn)程壓制武器適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢[37-39]。相對(duì)導(dǎo)彈這種精確制導(dǎo)武器來說，制導(dǎo)炮彈的發(fā)射平臺(tái)簡單，成本低廉，且同樣擁有較高的命中精度。要實(shí)現(xiàn)炮彈的全程導(dǎo)航制導(dǎo)，就必須研發(fā)可以在炮彈上工作的慣導(dǎo)組件�，F(xiàn)代火炮發(fā)射時(shí)炮彈的出膛速度超過 700m/s，發(fā)射過載不低于 10000g，炮彈通過減旋彈帶減旋后也會(huì)保持10 r/s 的轉(zhuǎn)速[40]，這要求的所有零件和傳感器都能經(jīng)受得住炮彈發(fā)射時(shí)的巨大沖擊，并在高速高旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)炮彈的運(yùn)動(dòng)測量，為制導(dǎo)控制組件提供有效的運(yùn)動(dòng)測量信息，實(shí)現(xiàn)精確打擊。分析上述需求，陀螺的抗過載能力要達(dá)到 12000g，量程要達(dá)到 3600 /s，精度要達(dá)到 20 /h。在陀螺的研制與生產(chǎn)中，制作工藝水平會(huì)直接影響陀螺性能的發(fā)揮。而
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH824.3

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本文編號(hào)：2697607