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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。


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