【摘要】：隨著慣性技術的應用領域不斷拓寬,一些新的應用領域,如隧道挖掘、頁巖油鉆探、炮彈精確制導等,需要一種制作工藝門檻低,能夠在高過載、高動態(tài)環(huán)境下工作的陀螺儀。本論文為滿足這些需求,在深入研究陀螺機理之后,對已有的小量程錐形諧振陀螺進行大量程改進,并研究了改進后陀螺的頻率裂解抑制、振動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)之間的關系;以此為依據(jù),按照大量程陀螺對振子力學特性的需求,提出降低振子的品質(zhì)因數(shù)以增大陀螺量程,并通過對振子參數(shù)優(yōu)化提高了振子的換能效率,以彌補由振子品質(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,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,利用軸對稱殼體的對稱性特點,建立了一種基于等效缺陷質(zhì)點的振子缺陷模型,基于該模型提出了在振子上添加修形質(zhì)點抑制其頻率裂解的方法,得出了修形質(zhì)點的數(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)點模型假設中忽略掉的模態(tài)形狀變化對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,以進一步提高頻率裂解抑制效果;分析過程中沒有對振子的振型函數(shù)做限制,所以得出的頻率裂解抑制方法適用于所有軸對稱殼振子。(3)設計了大量程圓錐殼型諧振陀螺的信號檢測處理系統(tǒng);提出一種基于信號相關性分析的敏感軸信號分離方法,將敏感軸的輸出信號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分解為與輸入角速率有關的陀螺信號和與輸入角速率無關的干擾信號;分析了振子的參數(shù)變化、殘余頻率裂解對敏感軸信號分量的影響,總結(jié)得出頻率裂解引起的振型偏移角與敏感軸信號分量的相互影響關系,完成了大量程陀螺信號的提取,提高了陀螺信號與輸入角速率的線性相關性�；谝陨涎芯砍晒�,完成了大量程圓錐殼型諧振陀螺原理樣機制作;經(jīng)測試,該樣機的量程為±3600o/s、標度因數(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[1, 3, 15, 27-30]。由于機械轉(zhuǎn)子陀螺主平臺的穩(wěn)定，所以陀螺的主要考察指標就是陀螺的精度水平，對于陀螺的動沒有要求。光學陀螺擁有不錯的精度和量程，，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，工藝要求低的特點年來，隨著信息技術、納米技術、生物技術、光學技術、材料技術的發(fā)展，理、新結(jié)構(gòu)的陀螺儀層出不窮，對慣性技術的發(fā)展起到了有力的促進作用，有潛力的幾類陀螺，如光子晶體陀螺、微光機電陀螺和原子陀螺，其技術水不成熟，所以目前都處于試制階段[1, 32]。

（a）發(fā)射平臺 （b）制導炮彈 （c）精確打擊圖 1.2 國防領域慣性測量的新需求在國防領域，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現(xiàn)自身的智能化、信息化。其中常規(guī)炮彈的精確制導化是火炮這種傳統(tǒng)遠程壓制武器適應現(xiàn)代化戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢[37-39]。相對導彈這種精確制導武器來說，制導炮彈的發(fā)射平臺簡單，成本低廉，且同樣擁有較高的命中精度。要實現(xiàn)炮彈的全程導航制導，就必須研發(fā)可以在炮彈上工作的慣導組件�，F(xiàn)代火炮發(fā)射時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)射時的巨大沖擊，并在高速高旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境下實現(xiàn)炮彈的運動測量，為制導控制組件提供有效的運動測量信息，實現(xiàn)精確打擊。分析上述需求，陀螺的抗過載能力要達到 12000g，量程要達到 3600 /s，精度要達到 20 /h。在陀螺的研制與生產(chǎn)中，制作工藝水平會直接影響陀螺性能的發(fā)揮。而
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH824.3

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本文編號：2697607