微機械陀螺儀由于體積小、重量輕、動態(tài)性能好、能耗少、成本低、可靠性高、易于數(shù)字化、智能化和集成化等優(yōu)點,在微機電系統(tǒng)中有著不可替代的作用,已經被廣泛地應用于各個領域,如汽車工業(yè)、安全防護、動態(tài)車輛控制,汽車安全系統(tǒng),高性能導航與制導系統(tǒng)和交互式消費電子產品等。眾多的研究人員也把追求更高精度以及響應更加穩(wěn)定的微陀螺作為今后研究的重點。傳統(tǒng)的單自由度微陀螺的精度和穩(wěn)定性已經不能滿足現(xiàn)在社會各方面的需求,在單向解耦以及雙重解耦的模型出現(xiàn)之后,共振頻率需要嚴格匹配以及正交誤差等缺陷雖然已經有所緩解,但未從真正意義上提升微機械陀螺儀的精度和穩(wěn)健性,增加微陀螺的自由度數(shù)可以提升微陀螺的穩(wěn)定性,但因為過多的彈性梁和振子質量塊等導致結構參數(shù)的選取變得困難。為了將這眾多的結構參數(shù)進行最佳匹配,在獲得理想帶寬的前提下獲得高穩(wěn)定性、高靈敏度的微陀螺,本文以雙檢測多自由度微陀螺為研究對象對多自由度微陀螺的優(yōu)化設計方法進行了研究。提出了一種特征提取與正交實驗法相結合的優(yōu)化設計方案。首先對微陀螺檢測方向振動系統(tǒng)振子質量比、結構頻率比以及阻尼比對微陀螺靈敏度及帶寬的影響進行定性分析,在定性分析的基礎上對其影響特征進行動力學特征提取,得到設計參數(shù)的變化對微陀螺系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,然后在此基礎上應用正交實驗法對所選的特征參數(shù)進行多因素多水平分析以優(yōu)化微陀螺的靈敏度和帶寬,優(yōu)化后微陀螺的靈敏度相對于二次序列規(guī)劃算法僅有微小提升,但帶寬確增加了1590Hz。優(yōu)化結果表明將基于特征分析的正交實驗法用于微陀螺的靈敏度和帶寬的優(yōu)化設計可顯著提升微陀螺的工作帶寬。為了更好地解決微陀螺多目標優(yōu)化問題,同時也為解決正交試驗法因權重系數(shù)人為選取導致優(yōu)化結果難以確定的局限性,采取動力學特征提取、響應面分析法和遺傳算法相結合的方法對多自由度微陀螺的靈敏度和帶寬進行了優(yōu)化設計。首先用中心復合試驗設計選取20個試驗點,然后通過動力學特征提取控制試驗點的范圍,根據(jù)試驗結果擬合二階多項式來近似表達目標函數(shù);在響應面二階多項式模型的基礎上,基于遺傳算法來解決多目標的優(yōu)化問題,經過遺傳算法一系列的優(yōu)化過程,結果顯示該優(yōu)化方法獲得的靈敏度和帶寬與二次序列規(guī)劃算法相比分別提升了19dB和2174Hz。本文提出的改進的優(yōu)化算法可以為多自由度微陀螺靈敏度及帶寬的優(yōu)化設計提供一定的理論基礎,同時所提出的基于特征提取確定約束條件的方法也為今后微陀螺優(yōu)化設計方法中約束條件的確定提供了理論指導。
【學位單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH712;TP212
【部分圖文】：

我國MEMS微陀螺的設計水平和制造水平的提升起到關鍵作用。1.2 微陀螺研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀MEMS 的早期發(fā)展，主要是國外的一些著名的微陀螺儀研究機構作為推動力，例如德雷珀實驗室、美國加州大學伯克利分校、佐治亞理工學院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀實驗室的研究人員便開始研究微機械陀螺儀[15]，研究的第一個微陀螺如下圖 1-1 所示。由于技術的限制以及加工工藝的不先進，使得第一代微機械陀螺儀輸出結構有一些缺陷，輸出端很難響應到信號，輸出效率較低。在 1991 年 Draper 實驗室推出了他們第一個機械加工工藝，該一個由扭轉彎曲懸掛的雙萬向節(jié)單晶硅結構，60Hz 帶寬下的分辨率為 4°/h。在 1993 年，德雷珀實驗室報告了他們下一代的硅玻璃音叉陀螺儀，旨在最大限度地減少雜散電容的玻璃襯底，檢測質量塊用梳齒驅動器相位靜電驅動，并檢測出面外擺動模式下的檢測反射率。如圖 1-2 所示。

我國MEMS微陀螺的設計水平和制造水平的提升起到關鍵作用。1.2 微陀螺研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀MEMS 的早期發(fā)展，主要是國外的一些著名的微陀螺儀研究機構作為推動力，例如德雷珀實驗室、美國加州大學伯克利分校、佐治亞理工學院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀實驗室的研究人員便開始研究微機械陀螺儀[15]，研究的第一個微陀螺如下圖 1-1 所示。由于技術的限制以及加工工藝的不先進，使得第一代微機械陀螺儀輸出結構有一些缺陷，輸出端很難響應到信號，輸出效率較低。在 1991 年 Draper 實驗室推出了他們第一個機械加工工藝，該一個由扭轉彎曲懸掛的雙萬向節(jié)單晶硅結構，60Hz 帶寬下的分辨率為 4°/h。在 1993 年，德雷珀實驗室報告了他們下一代的硅玻璃音叉陀螺儀，旨在最大限度地減少雜散電容的玻璃襯底，檢測質量塊用梳齒驅動器相位靜電驅動，并檢測出面外擺動模式下的檢測反射率。如圖 1-2 所示。

在驅動模態(tài)中添加了多個振蕩器，并采用圓形配置，如圖1-3 所示。為了獲得更大的帶寬，在另一篇報告中[20]提出了由兩個獨立的檢測質量塊組成的四自由度振動陀螺儀，但這種結構的微陀螺檢測模態(tài)和驅動模態(tài)會發(fā)生機械耦合，導致系統(tǒng)產生了正交誤差，如圖 1-4 所示。隨后 C.Acar 提出了一個包含解耦框架的三質量塊的 4-DOF 模型來解決機械耦合的問題。如圖 1-5 所示，但這個設計也存在著一些缺陷，第一個缺點是這種結構在驅動方向的質量塊需要很大，第二個缺點是采用這種結構的微陀螺驅動方式的控制技術不可取。第一個問題可以通過增加驅動模態(tài)的振幅來解決，同時也增加了系統(tǒng)的靈敏度增益[21]。第二個問題采用自由增益控制（AGC）回路控制器設計的雙自由度檢測模態(tài)的三自由度微陀螺來解決[22]。此設計的優(yōu)點是它為系統(tǒng)的參數(shù)變化提供了固有的穩(wěn)定性，同時也提供了更加理想的靈敏度增益。在以后的研究中，K. Sahin[22]等人提
【參考文獻】

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1 郝燕玲;劉博;史宏洋;;新型反相位驅動雙解耦微機械陀螺設計[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2014年09期

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3 郝燕玲;劉博;周廣濤;;高敏感度微機械陀螺陣列的設計[J];華中科技大學學報(自然科學版);2014年03期

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本文編號：2881462