Soft initial-rotation and H_∞ robust constant rotational speed control for rotational MEMS gyro

A novel soft initiai-rotation control system and an H∞ robust constant rotational speed controller （RCRSC） for a rotational MEMS （micro-electro-mechanical system） gyro are presented. The soft initial-rotation control system can prevent the possible tumbling down of the suspended rotor and ensure a smooth and fast initial-rotation process. After the initial-rotation process, in order to maintain the rotational speed accurately constant, the RCRSC is acquired through the mixed sensitivity design approach. Simulation results show that the actuation voltage disturbances from the internal carrier waves in the gyro is reduced by more than 15.3 dB, and the speed fluctuations due to typical external vibrations ranging from 10 Hz to 200 Hz can also be restricted to 10^-3 rad/s order.

利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺

提出了一种利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺的结构原理,建立了这种陀螺的数学模型并分析计算了该陀螺的结构动力学参数。理论研究和计算机模拟表明,利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺结构原理正确。

硅微陀螺仪零偏温度性能补控方法设计

首先从理论上推导了硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、敏感信号输出及机械热噪声与温度之间的关系,进而说明了温度对陀螺仪零偏输出影响是各非线性因素综合作用的结果.然后,通过部分温度特性试验获得了硅微陀螺仪的模态谐振频率和品质因数随温度变化关系曲线.最后,根据实测零偏试验数据给出了分段多项式温度补偿方法,并进一步结合恒温控制方法改善补偿一致性效果,从而保证硅微陀螺仪硅结构体及其驱动检测电路不受外界温度变化的影响.结果表明,温补和温控技术相结合对提高陀螺仪的零偏稳定性有显著效果.

一种基于MIMU的九陀螺冗余配置

为进一步提高微惯性传感器及测量组合的可靠性和精度,提出了一种新型的基于MIMU的9陀螺斜置冗余设计方案,该系统体现出较好的容错性能.对不超过3个微陀螺发生失效的情况进行故障检测,故障识别率达到91%.分别与无冗余配置、4轴冗余配置、9陀螺正交冗余配置进行了对比分析,结果表明,本配置精度略小于同等元件数量的正交配置,但却具有更好的容错性能,是一种既具有较高精度又具有较高可靠性的配置方式.

大陀螺零偏条件下的快速传递对准算法

针对某些某些微机械陀螺零偏重复性差的特点,提出了滤波反馈修正和陀螺零偏粗对准预处理两种方法,使"速度+姿态"快速传递对准算法在大陀螺零偏条件下能够不损失估计精度。在简要介绍"速度+姿态"快速传递对准算法数学模型的基础上,探讨了大陀螺零偏导致的惯导系统非线性误差。为减小上述非线性误差的影响,提出用每一步滤波估计值修正子惯导状态的反馈修正方法,和在进行卡尔曼滤波前直接测量比较主、子惯导陀螺输出的陀螺零偏粗对准预处理方法。仿真结果表明,采用上述两种方法,快速传递对准算法可在陀螺零偏过大的情况下保持算法的有效性和估计精度。

基于自相关特性的经验模态分解微机械陀螺去噪方法

陀螺的噪声是影响组合导航系统精度的重要因素之一。以农机多传感器组合导航系统为研究背景,在分析经验模态分解去噪和小波去噪的基础上,提出了一种基于自相关特性的经验模态分解去噪方法。该方法根据本证模态函数分量的自相关函数特性,提出了一种含噪本证模态函数筛选策略。该方法能够自适应地确定主要含噪的本证模态函数分量,避免了需要人为确定的不足;同时,结合改进小波阈值去噪的优势,避免了将混叠在噪声中的有效信号完全消除,使其具有一定的自适应性。为了验证方法的有效性,利用农机组合导航系统中微机械陀螺的实际输出数据,分别采用改进阈值小波去噪方法、经验模态分解去噪和改进的经验模态分解去噪方法进行了对比试验。结果表明,改进经验模态分解去噪方法的效果要优于前者,在一定程度上能够改善农机多传感器组合导航系统的定位精度。

温度应力下微陀螺仪的加速寿命评估

针对现有方法无法快速准确对微机械陀螺仪寿命评估的问题,提出了温度应力下陀螺仪的加速寿命评估方法。该方法采用故障树分析法确定了微陀螺仪的主要失效模式和敏感环境应力,采用温度环境试验的方法确定温度变化对微陀螺仪零偏的影响,采用高温步进应力试验确定样本的工作极限,采用恒定应力试验得到失效时间。选择正态分布和Weibull分布利用统计理论验证加速试验过程失效机理的一致性,建立加速模型外推微陀螺仪在正常使用环境中的可靠度函数。结合应用需求,选择保守评估结果和最优拟合分布形式相符合,达到寿命评估的目的。实例表明:该方法的步骤简捷、正确可行,为微陀螺仪在实际应用中提供了重要的参考依据。

谐振式微型光学陀螺锁频精度分析

在谐振式微型光学陀螺(R-MOG)系统中,为了减小由I控制器取代一阶惯性反馈环节,建立反馈控制模型,对比分析PI控制器和一阶惯性反馈环节2种反馈方式对锁于光学器件受温度、应力等外界环境因素影响产生的各种噪声,提高环路锁频精度,在反馈回路中引入P频精度的影响.利用PI控制器设置的反馈回路能够消除环路的阶跃响应稳态误差,从而降低温度等外界因素引起的环形腔互易性噪声的影响,提高环路锁频精度.进一步优化PI控制器参数,将优化设计的PI控制器应用于R-MOG系统,得到锁定环路阈值精度为30Hz,对应环长为7.9cm的微型环形腔可检测转动角速度为0.15°/s,并在该芯片构成的系统上观察到20°/s的陀螺响应.

一种微机械陀螺仪误差的高精度补偿方法

为了提高低精度微机械陀螺仪的精度,研究了陀螺仪的确定性误差。根据陀螺仪的误差模型推导了如何得到陀螺仪的输出数学模型中的刻度因子、失准角、零偏。利用allan方差辨识陀螺仪的噪声系数,根据微机械陀螺仪的误差模型设计了kalman滤波器进行动态仿真,仿真结果表明:采用卡尔曼滤波补偿后微机械陀螺仪的输出均值较原始值和标定后有了明显的提高。

数字滤波器在微机械陀螺系统中的应用

给出了应用数字滤波技术改善微机械陀螺准确度的方法,提出了数字滤波器的设计方法,通过测试数据分析表明效果显著。

硅微机械陀螺传感器信号的检测方法

硅微机械陀螺是近几年发展起来的一种新型惯性元件。由于其巨大的军事和民用价值，各国均将研制过程中的关键技术列为高度机密。本文对硅微机械陀螺的关键技术之一 传感器信号的检测方法进行了探讨。提供了几种硅微机械陀螺传感器信号的检测方法，并对这几种检测方法进行了比较。

插秧机微机械陀螺随机误差分析及建模

微机械陀螺广泛应用于组合导航系统。以插秧机GPS/INS组合导航系统为研究背景,针对微机械陀螺的误差进行了研究。为了提高插秧机组合导航系统的定位精度,首先通过分析微机械陀螺的工作原理对微机械陀螺的误差来源和分类进行了深入的分析,说明微机械陀螺的随机误差是影响插秧机组合导航系统定位精度的一个主要因素。然后基于时间序列的分析建立了微机械陀螺的AR随机误差模型,并利用此模型采用Kalman滤波算法对采集的试验数据进行处理。实验结果表明,在采用AR模型后,微机械陀螺的随机误差的方差减小了一个数量级,随机误差的幅值也明显减小。

谐振式微光学陀螺标度因数及其非线性度分析

谐振式微光学陀螺(RMOG,Resonator Micro-Optic Gyro)输出标度因数非线性度在大角速度应用时变得明显,影响陀螺性能.理论分析了RMOG中频率调制偏置量对标度因数及其非线性度的影响;根据RMOG谐振腔的谐振输出特性,仿真计算了输入角速度范围内的理论标度因数及其非线性度.利用已知的温度性能测试结果建立了标度因数温度误差模型.搭建RMOG实验系统,实际测量输出标度因数～0.95.模拟和实际转动实验得到±500(°)/s范围内标度因数非线性度分别为6.88×10-4和0.93%,表明通过有效消除环境因素影响,可以使RMOG的输出非线性度满足多数惯性应用的要求.

微电子技术在石英微机械振动陀螺中的应用

叙述了采用微电子技术加工石英微机械振动陀螺振子的原理和基本过程,介绍了陀螺振子加工的研究结果和石英微机械陀螺的最新研究进展。

微型光学陀螺仪中声光移频器的设计与分析

微型光学陀螺仪是基于Ｓａｇｎａｃ效应，采用先进的集成光学技术研制的新型光学陀螺仪。研制微型光学陀螺仪的关键在于用频率调制来实现频率伺服，对主要误差进行有效抑制，以及实现高精度Ｓａｇｎａｃ频差测量。声光移频器是解决这一系列技术关键的一个核心器件。针对微型光学陀螺仪中对声光移频器所提出的百万分之一相对频移精度，调制带宽不低于１０ＭＨｚ，有效声功率大于１８０ｍＷ的特殊要求，对微型光学陀螺仪的核心器件——声光移频器进行了理论分析与设计，研究了它在实现上的主要技术难点。

谐振式微光学陀螺偏置频率调制技术研究

谐振式微光学陀螺(RMOG)是一种基于光学Sagnac效应的新型角速度传感器。提出了基于模拟波形连续线性相位调制技术的偏置频率调制。与传统的双频率锯齿波调制以及数字调制方法相比,偏置频率调制消除了由于锯齿波回扫或数字波形中的台阶效应引入的脉冲噪声。从理论上推导了连续线性相位调制波形参数与陀螺的动态范围和灵敏度的关系,得出波形参数的选取原则。实验采用自由谱宽、谐振清晰度分别为1.6GHz和60的集成光学谐振腔陀螺构建RMOG系统,得到1h陀螺零偏稳定性1.06×10-3rad/s、±500°/s动态范围内陀螺输出非线性度小于1%。

无陀螺微惯性测量装置

首先简要介绍了惯性测量装置及微惯性测量装置的特点及分类,指出了采用无陀螺技术设计微惯性测量装置的优势。并介绍了国内外无陀螺测量技术发展状况,提出了一种新颖的结构设计,推导了导航方程的算法,利用了多传感器的冗余信息对算法进行优化,降低了求解微分方程的累积误差,提高了无陀螺微惯性测量组合的导航精度,最后进行了仿真计算,验证了该方案的可行性。

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。

基于陀螺仪和磁强计的姿态解算方法研究

在飞行器组合姿态导航精度优化问题的研究中,针对当前陀螺仪解算姿态的精度不足,提出了一种采用磁强计和MEMS陀螺仪的姿态解算方法。组合姿态解算主要是解决信息的融合,因此设计了一个组合姿态解算的卡尔曼滤波器,以姿态四元数微分方程和MEMS陀螺误差方程作为系统方程,以三轴磁强计的输出作为观测量建立系统的观测方程,由于状态方程和观测方程的非线性,采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法设计了一个组合导航定姿卡尔曼滤波器,并由此解算出姿态信息。仿真结果表明,改进方法能够具备比较高的姿态解算精度。

谐振式微光学陀螺环形谐振腔外双反射点模型分析

谐振式微光学陀螺(R-MOG)以其集成化、小型化的特点,成为谐振式光学陀螺(ROG)的发展趋势。其核心敏感部件-集成微光学环形谐振腔与系统中其他元件的连接,会产生背向反射这一噪声。利用光波场叠加的方法,建立环形谐振腔外双反射点模型,分析背向反射噪声对环形谐振腔内两光路谐振频率的影响。通过数值拟合,得到系统中背向反射引起的系统零偏与背向反射系数及环形谐振腔参数间的关系表达式。在同一个R-MOG系统参数下,对背向反射噪声和系统极限灵敏度噪声进行比较,说明背向反射噪声在R-MOG系统中的重要影响。为R-MOG系统中背向反射噪声的抑制及实验系统搭建提供了理论依据。