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基于半球谐振陀螺的惯性导航系统研究

杨倩  
【摘要】: 捷联式惯性导航系统以固连在载体上的陀螺组件与加速度组件为敏感元件,利用载体上的导航计算机解算出当前的位置、姿态信息。无转子陀螺是当今导航敏感器件研究的主流。作为新型陀螺,半球谐振陀螺与环形激光陀螺、光纤陀螺相比,在相同的精度、可靠性和寿命要求下,其成本更具有竞争性。本文以星载惯性测量系统工程样机的研制为背景,采用半球谐振陀螺、石英加速度计为惯性敏感元件。对半球谐振陀螺工作机理、惯性元件数学模型的标定技术、基于半球谐振陀螺的导航系统实现进行了研究。 首先,研究了半球谐振陀螺的工作机理与动力学模型。从薄壳理论出发,从分析质点受力的角度,研究了核心部件半球壳谐振子的振动规律和模态进动特性,分析了半球壳振子动力学方程,利用解析求解的方法分析了各参数对谐振频率和环向进动因子的影响规律。然后利用ANSYS有限元分析软件分析半球壳的厚度、直径及杆的直径等结构参数对谐振子固有频率和模态分布的影响。 然后,研究了惯性器件的标定技术。就现有的试验条件:双轴位置速率转台、光学分度头、NI数据采集卡,利用LabView软件分别针对半球谐振陀螺、石英加速度计搭建了测试平台,进行元件级标定,为导航系统中惯性元件误差补偿提供了数学模型。 最后,完成了捷联式惯性导航系统工程样机的研制。根据半球谐振陀螺和石英加速度计的结构特点,设计了系统装置的机械结构;从体积要求、运算速度要求、开发周期要求出发,选择基于PC/104的A/D数据采集卡与CPU主板作为系统的硬件部分;实现了导航算法,针对现有陀螺噪声较大的实际情况,提出初始对准的欧拉角法。编写相应软件程序,并对样机进行了静态测试。


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