陀螺漂移_《北京邮电大学》2012年博士论文

发布时间：2016-11-02 18:07

  本文关键词：多功能微机械陀螺及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

《北京邮电大学》 2012年

多功能微机械陀螺及其应用

严庆文  

【摘要】：20世纪90年代,随着微电子技术的发展,相继出现各种样式的微机械陀螺。尽管存在多种微机械陀螺设计方案,但是绝大多数方案是利用驱动结构起振,引起质量块振动,通过敏感结构敏感角速度。此类微机械陀螺一般只能敏感一个方向上的角速度。相对上述陀螺,本文研究的多功能微机械陀螺利用旋转载体绕纵轴滚转作为驱动,可以敏感旋转载体纵轴方向的滚转角速度和垂直于旋转载体纵轴方向的横向角速度。此外,配合地理坐标基准,可以将横向角速度分解为偏航角速度和俯仰角速度。因此,多功能微机械陀螺能够敏感三个方向的角速度,陀螺信号可以解算出包括横向角速度、方位角、偏航角速度、俯仰角速度和滚转频率在内的五个参数,具有三个垂直安装的一般速率陀螺的功能,适用于旋转飞行器姿态控制。 本文对多功能微机械陀螺及其应用进行了深入地探讨。研究内容包括：多功能微机械陀螺敏感偏航、俯仰及滚转三个方向角速度的机理；多功能微机械陀螺结构设计和制作工艺的改进；多功能微机械陀螺在单方向运动、圆锥运动和变滚转转速运动中的性能特征；多功能微机械陀螺信号提取五个参数的方法；多功能微机械陀螺信号解算算法；多功能微机械陀螺在旋转飞行器姿态控制中的应用。上述研究内容难度大,实用性强,具有创新性。本文主要研究成果： (1)推导了多功能微机械陀螺动力学模型和误差模型,理论论证了陀螺可以敏感旋转飞行器偏航、俯仰及滚转三个方向角速度的机理。根据多功能微机械陀螺设计参数,仿真得出陀螺一阶、二阶、三阶固有频率和振动模态。 (2)针对原陀螺制作掩膜版“分步对准”产生对准累积偏差问题,提出了“一步对准”设计方案,解决了芯片基准问题,有效地消除了前一步对准偏差对后一步对准产生的累积偏差,提高了芯片生产的一致性。解决了陀螺制作工艺中光刻曝光时间过长和光刻胶使用中的部分问题；分析了湿法刻蚀过程中芯片表面出现坑点问题的若干原因,并提出了相应的解决措施。 (3)理论论证和试验验证了在单方向运动、变滚转转速运动和圆锥运动中多功能微机械陀螺的性能特征。在圆锥运动中陀螺信号频率不等于旋转飞行器滚转频率,表明陀螺测量的是旋转飞行器绝对运动,陀螺信号频率(绝对运动频率)等于旋转飞行器滚转频率(相对运动频率)和圆锥运动频率(牵连运动频率)的叠加。在变滚转转速运动中陀螺标度因数和初始相位差的变化,提出多项式拟合陀螺标度因数和初始相位差的方法,在求解横向角速度和方位角时使用对应滚转频率下的标度因数和初始相位差。 (4)提出单个多功能微机械陀螺结合加速度计基准解算包括横向角速度、方位角、偏航角速度、俯仰角速度、滚转频率在内的五个参数方法。陀螺信号幅值(包络)与横向角速度成正比,方位角等于陀螺与加速度计相位差减去陀螺初始相位差,沿方位角将横向角速度分解为偏航角速度和俯仰角速度。通过对偏航、俯仰及滚转三个角速度进行积分,可得到偏航、俯仰及滚转三个方向的角度。 (5)编写基于Matlab的多功能微机械陀螺信号解算算法。通过三轴转台试验,验证了算法的有效性。提出利用两个垂直安装的多功能微机械陀螺信号彼此正交的特点,用两个信号代替原算法中的希尔伯特变换对,有效地提高了算法的实时性,并通过了试验验证。为保护算法的新颖性,编写了图形用户界面的微机械陀螺信号解算软件,并申请了软件著作权。 (6)调试了多功能微机械陀螺样机,样机输出满足偏航和俯仰角度测量范围≤±10°,偏航和俯仰测量精度≤±1°,该测量范围和测量精度适用于旋转飞行器多通道控制。研究了多功能微机械陀螺在单通道控制中的用法。陀螺信号通过与线性化信号叠加,将陀螺信号的幅值信息(陀螺敏感输入横向角速度)转化为最终控制信号过零点信息,实现单通道控制。 (7)研究线振动和冲击对多功能微机械陀螺的影响。线振动试验前中后陀螺零偏变化为1mV左右。冲击试验表明由于陀螺摆片偏心,陀螺在受到厚度方向的冲击时摆片绕扭转梁发生了偏摆。提出了通过增加陀螺扭转梁厚度的方法,减小陀螺在单位冲击加速度下的摆角幅度。试验证明陀螺扭转梁增厚约1/3倍,陀螺冲击响应信号幅值和宽度减小约18倍。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH703
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孟秀云,刘藻珍,邹静涛;旋转弹(箭)控制系统建模与仿真研究[J];弹箭与制导学报;2002年01期

2 陈永,焦继伟,熊斌,车录锋,李昕欣,王跃林;一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺[J];中国机械工程;2004年02期

3 严光洪,束滋德;包络分析法在某航行体振动信号处理中的应用[J];振动.测试与诊断;2000年03期

4 陈莲,周海亭;计算橡胶隔振器静态特性的数值分析方法[J];振动与冲击;2005年03期

5 张锐,李君龙;旋转弹制导技术的研究[J];航天控制;2005年03期

6 易彦,周凤岐,周军;旋转导弹单通道控制方法研究[J];飞行力学;2000年04期

7 辛玉忠,刘常凯;判断与衡量两个信号相似性的内积表达式[J];潍坊学院学报;2002年04期

8 雷万云,王立,李言俊;基于小波变换的红外图像末制导信息处理方法研究[J];弹箭与制导学报;2000年02期

9 陈罗婧;刘莉;于剑桥;;双通道控制旋转导弹自动驾驶仪回路的数学变换及其耦合性分析[J];北京理工大学学报;2007年10期

10 韩艳铧,周凤岐,周军,郭建国;一种飞行器姿态控制的三通道独立设计方法[J];弹箭与制导学报;2004年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 时伟;小波分析在车载激光陀螺定位定向系统中的应用研究[D];国防科学技术大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 高宁;陀螺漂移信号的小波去噪及其误差模型的研究[D];天津大学;2004年

2 魏华;基于MEMS陀螺的自动驾驶仪设计[D];南京理工大学;2007年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 潘献飞;吴文启;吴美平;;考虑机抖激光陀螺信号滤波特性的圆锥算法修正[J];中国惯性技术学报;2007年03期

2 陈永,焦继伟,王惠泉,金仲和,张颖,熊斌,李昕欣,王跃林;大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性[J];半导体学报;2005年01期

3 殷玲玲;尚群立;;磁阻传感器在直线位移传感中的应用[J];传感技术学报;2006年04期

4 刘真南,金伟其,仇谷峰,郭宏,苏学刚,梁志科,高稚允,邵左文;基于四元红外探测系统的仿真信号源——目标探测信号的模拟[J];光学技术;2000年03期

5 张化良;赵剡;;角跟踪电路测试系统的设计和实现[J];航空兵器;2006年06期

6 史东强;郑梁;秦会斌;;AMR薄膜弱磁场传感头的优化设计[J];杭州电子科技大学学报;2005年06期

7 王立冬,贾英江;磁阻罗盘及其在车辆导航中的应用[J];测控技术;2000年08期

8 崔建伟;一种微型机器人手指关节角位移测量装置设计[J];测控技术;2004年06期

9 易彦,周凤岐;高超声速战术导弹的变质心矢量控制[J];中国科学G辑;2003年03期

10 张亚欧;吕恬生;杜建福;;小型无人直升机的纵向横向解耦优化控制[J];计算机工程与应用;2006年19期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 王领;张金科;张福学;;旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年

2 严光洪;尹韶平;沈哲;秦晓辉;;中高频段振动能级测试与分析技术[A];第十届船舶水下噪声学术讨论会论文集[C];2005年

3 Wu Renzhi~1 Wang Anlin~1 Jang Jong-Bok~1 Liu Guangjun~1 Jiao Jiwei~2 1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai,200092,P.R.China 2.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Mierosystem and Information Technology,Chinese Academy of Science,Shanghai,200050,P.R.China;Optimum Design of a Micromachined Gyroscope Elastic Bars Based on Substructuring Method[A];Proceedings of the 2007 International Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 徐敏;大气层内拦截弹侧向喷流控制技术研究[D];西北工业大学;2003年

2 张敏;基于体态识别的动物行为自动分析研究与应用[D];浙江大学;2005年

3 张国柱;雷达辐射源识别技术研究[D];国防科学技术大学;2005年

4 张正福;音叉振动式微机械陀螺结构动态性能解析与健壮性设计[D];上海交通大学;2007年

5 姚文进;防空弹药二维脉冲修正方法研究[D];南京理工大学;2007年

6 丁旭杰;非线性隔振抗冲器的设计与建模研究[D];上海交通大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郭常春;旋转导弹单通道控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

2 程娟;某环保材料加工工业过程远程监控系统的研究和设计[D];南京航空航天大学;2007年

3 蒋忠明;弹炮一体化旋转导弹控制系统设计与仿真研究[D];西北工业大学;2005年

4 刘艳;ITS载体磁航向测试技术研究[D];南京航空航天大学;2005年

5 王立;先进红外成像制导技术研究[D];西北工业大学;2001年

6 张智永;移动载体稳定跟踪平台测控技术研究[D];国防科学技术大学;2002年

7 罗杰;模块化智能磁航向系统的研究[D];南京航空航天大学;2003年

8 张松靖;远程旋转火箭弹简控系统设计及落点精度分析[D];西北工业大学;2003年

9 王晓斌;制导火箭弹制导系统总体设计与仿真[D];南京理工大学;2003年

10 沙建科;滚转导弹喷流直接力与气动力复合控制研究[D];西北工业大学;2004年

【同被引文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 童志义,赵晓东;国内外MEMS器件现状及发展趋势[J];电子工业专用设备;2002年04期

2 高兴军,赵恒华;大型通用有限元分析软件ANSYS简介[J];辽宁石油化工大学学报;2004年03期

3 赵雪英,郭雨梅;一种小电容检测方法——充放电法[J];沈阳工业大学学报;2003年01期

4 刘松龄;一种高频测量微小电容的电路[J];中南民族学院学报(自然科学版);1999年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 付盛荣;电磁驱动电容式振动微机械陀螺接口电路研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2003年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张世林,牛萍娟,梁惠来,郭维廉,赵振波,郝景臣,王文君,周均铭,黄绮;量子共振隧穿二极管的频率特性与分析[J];半导体学报;2002年11期

2 毛海央;熊继军;张文栋;薛晨阳;桑胜波;鲍爱达;;共振隧穿二极管的压阻特性测试与研究[J];半导体学报;2006年10期

3 黄峥,李科杰,金连宝;火炮弹丸捷联式地磁—太阳方位姿态测量模型研究[J];兵工学报;2001年01期

4 冯丽爽;刘惠兰;贺斌;王广龙;;MOEMS陀螺的谐振腔设计[J];北京航空航天大学学报;2006年11期

5 宋锦武,祁载康,夏群力,林德福;简易制导脉冲控制力修正技术研究[J];北京理工大学学报;2004年05期

6 陈罗婧;刘莉;于剑桥;;双通道控制旋转导弹自动驾驶仪回路的数学变换及其耦合性分析[J];北京理工大学学报;2007年10期

7 陈熙源,万德钧,程向红;船用陀螺漂移误差模型辨识及其应用[J];船舶工程;1998年03期

8 吴多,程德福;基于DSP的快速小波分解和重构[J];吉林大学学报(信息科学版);2004年03期

9 徐炜,贺占庄,宋军,黄士坦,杨靓;基于SAR图像滤波的小波模糊聚类算法[J];吉林大学学报(信息科学版);2004年04期

10 黄业绪;史忠科;李雷;马义利;赵青;张智杰;;提高力反馈速率陀螺动态特性的优化设计[J];传感技术学报;2005年04期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 骆光照;电动舵机的鲁棒控制研究[D];西北工业大学;2003年

2 李涛;非线性滤波方法在导航系统中的应用研究[D];国防科学技术大学;2003年

3 李锦明;高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D];中北大学;2005年

4 袁天保;弹道导弹滚动飞行动力学与控制研究[D];国防科学技术大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 吕俊巧;旋转导弹的自适应控制方法研究[D];西北工业大学;2001年

2 张松靖;远程旋转火箭弹简控系统设计及落点精度分析[D];西北工业大学;2003年

3 邹卫军;简易制导炸弹控制系统设计与实现[D];南京理工大学;2003年

4 张萍萍;某简易制导炸弹飞行控制系统的参数设计与仿真[D];南京理工大学;2003年

5 李长青;导弹控制系统设计研究[D];哈尔滨工程大学;2003年

6 卢莺;制导炮弹控制系统设计与仿真[D];西北工业大学;2004年

7 沙建科;滚转导弹喷流直接力与气动力复合控制研究[D];西北工业大学;2004年

8 黄业绪;高精度液浮陀螺系统的设计研究[D];西北工业大学;2005年

9 陶迪;自寻的导弹捷联导引系统实现比例导引设计与研究[D];哈尔滨工程大学;2005年

10 郭常春;旋转导弹单通道控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 车录锋,熊斌,王跃林;振子框架式微机械陀螺的优化设计及电学模拟[J];航空学报;2002年03期

2 车录锋,黄小振,熊斌,王跃林;振动式微机械陀螺的等效电学模型[J];机械工程学报;2003年03期

3 董煜茜,高钟毓,陈志勇,张嵘;微机械振动轮式陀螺样机的实验研究[J];宇航学报;2000年01期

4 黄小振,熊斌,车录锋,王跃林;振动式微机械陀螺的电学模拟[J];功能材料与器件学报;2002年01期

5 陈永,焦继伟,熊斌,车录锋,李昕欣,王跃林;一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺[J];中国机械工程;2004年02期

6 谭晓昀;刘晓为;丁学伟;马原芳;;自激驱动方式的振动式微机械陀螺全差动接口电路(英文)[J];传感技术学报;2008年04期

7 陈志勇,高钟毓,张嵘;振动轮式微机械陀螺频率配置和气压选择[J];中国惯性技术学报;2001年03期

8 苏永川;朱振忠;赵治国;张锐;王清亮;李世国;;石英微机械陀螺信号的数字解调[J];压电与声光;2009年02期

9 姜璐,于远治,吉春生;陀螺仪在导航中的应用及其比较[J];船舶工程;2004年02期

10 王元山,熊敏敏,王寿荣;单片集成三轴微机械陀螺技术初步研究[J];测控技术;2005年10期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 周浩;;稳健设计在微机械陀螺结构参数设计中的应用[A];中国工程物理研究院科技年报/2011年版[C];2011年

2 陈志勇;张嵘;周斌;郭美凤;;微机械陀螺研制进展[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年

3 富立;吴维;;微机械陀螺的测试与建模[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年

4 张巧云;胡爱民;林日乐;张挺;谢佳维;毛世平;李卯辰;郑永祥;吕志清;;石英微机械陀螺的研究进展及应用前景[A];中国惯性技术学会光电技术专业委员会第五次学术交流会暨重庆惯性技术学会第九次学术交流会论文集[C];2002年

5 庄海涵;王巍;邢朝洋;张廷凯;;线振动微机械陀螺大载荷下频率漂移特性研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年

6 李增新;崔燕;李海强;;对谐振轮式微硅陀螺的结构分析与检测[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年

7 李东明;周雪梅;苏丽;;小波去噪在微机械陀螺漂移特性分析中的应用[A];2004年船舶仪器仪表学术年会论文集[C];2004年

8 吴紫峰;陶文中;王长虹;李娟;程颖;邹成斌;;振动棒式硅角速率传感器[A];2000全国力学量传感器及测试、计量学术交流会论文集[C];2000年

9 陈志勇;张嵘;周斌;郭美凤;;微机械陀螺研制进展[A];中国惯性技术学会第五届学术年会论文集[C];2003年

10 方针;张巧云;吕志清;;惯性技术的新发展[A];惯性技术发展动能发展方向研讨会论文集[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 戚兴国　程新华;[N];中国航天报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 严庆文;多功能微机械陀螺及其应用[D];北京邮电大学;2012年

2 李孟委;基于砷化镓的介观压阻效应微机械陀螺研究[D];中北大学;2010年

3 陈垚;微机械陀螺的材料及器件设计研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2000年

4 熊斌;栅结构微机械振动式陀螺[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2001年

5 李锦明;高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D];中北大学;2005年

6 陈宏;全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

7 陈雪萌;一种压阻式微机械陀螺的研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2005年

8 刘广军;音叉振动式微机械陀螺结构拓扑自组织设计方法的研究[D];上海交通大学;2007年

9 杨金显;微惯性测量系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2008年

10 李伟剑;微机电系统的多域耦合分析与多学科设计优化[D];西北工业大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郭俊敏;电容式微机械陀螺电路设计与测试技术[D];北京邮电大学;2010年

2 李亚山;微机械陀螺仪的封装研究[D];中北大学;2011年

3 邹江;微机械陀螺信号采集系统设计及滤波方法研究[D];中北大学;2012年

4 温祖强;微型航姿参考系统中微机械陀螺温度误差及补偿算法研究[D];上海交通大学;2011年

5 赵幸娟;电容式微机械陀螺外围接口电路的设计与测试[D];中北大学;2012年

6 黄小振;电容式振动微机械陀螺接口电路的设计、模拟与测试[D];中国科学院上海冶金研究所;2001年

7 蒋庆华;音叉电容式微机械陀螺接口电路设计研究[D];西北工业大学;2004年

8 陈丹;基于双单片机的陀螺仪自反馈系统的研究[D];天津大学;2012年

9 王晨曦;MEMS陀螺外围信号处理电路数字化初步研究[D];浙江大学;2006年

10 韩磊;电磁式微机械陀螺检测电路设计[D];华北电力大学（北京）;2008年

  本文关键词：多功能微机械陀螺及其应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：162416