四旋翼飞行器姿态航向参考系统设计与实现

姿态航向参考系统(AHRS)是飞行器的关键载荷,决定了飞行器的飞行安全性与稳定性。为了给四旋翼飞行器控制提供可靠的姿态和航向反馈,设计并实现了基于多传感器数据融合的航向姿态参考系统。系统采用NXP公司的LPC1768嵌入式处理器作为导航计算机通过数字接口接收各个导航传感器(加速度计,角速率陀螺,电子罗盘)的数据并通过卡尔曼滤波完成数据融合和姿态解算,然后输出姿态和航向信息。最后,分析对比四旋翼飞行器搭载该姿态航向参考系统进行飞行验证记录的卡尔曼滤波处理的姿态数据和未经处理的姿态数据,结果表明所设计的姿态航向参考系统能够给四旋翼飞行器的姿态和航向控制提供可靠的姿态和航向反馈,提高四旋翼飞行器的姿态和航向控制精度,提高和改善四旋翼飞行器的姿态和航向稳定性。

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。

钟形振子式角速率陀螺敏感机理与检测方法

针对钟形振子式角速率陀螺的振子振动特性和敏感机理进行研究,得出了一种BVG信号检测方法.采用三维Ritz方法,建立了理想条件下钟形振子中固体波动的动力学模型;利用相似系统的分析方法,推导出了钟形振子的等效动力学模型.在此基础上,研究振子环形唇缘的振动特性,分析信号产生机理,提出了利用电容传感器和压电传感器的多传感器融合的信号检测方法,并从理论上验证了该方法的合理性.对BVG的系统设计具有一定的借鉴意义.

微型压电陶瓷棒角速率陀螺设计

研制了基于微型压电陶瓷棒结构代替双敏感梁结构及压电陶瓷片的微型角速率陀螺,并设计了相敏检波电路。首先采用易于加工成高精度的微型陶瓷棒作为敏感体,在其上印刷成六个带状电极并予以极化构成三副电极对,然后设计了封装及相敏检波电路,从而有效地减小了敏感结构的尺寸,提高了其加工精度,实现了角速率陀螺微型化。标定结果表明,该角速率陀螺线性度好,相关系数为0.9996;精度高,标准误差为0.0036。

一种基于DSP的高速角速率陀螺数据采集模块

针对普通单片机在有大量乘除法浮点运算的情况下无法同时采集多个高速陀螺数据的问题,设计了一种基于DSP的高速角速率陀螺数据采集模块。该模块结合陀螺数据采集原理,从软硬件2个方面给出详细的设计方法。并结合工程实际应用,采集处理某光电跟踪平台陀螺仪数据,为稳定控制回路提供空间扰动角速率和角位置测量。实验结果表明:该模块能实时采集2路正交安装的高速陀螺仪数据,实时解算出载体空间角位置,为稳定控制系统提供高精度的角速率和角位置检测。

一种提高角速度解算精度的九加速度计配置方案

基于六加速度计的立方体配置方案,提出了九加速度计的无陀螺惯性测量组合(NGIMU)配置方案,并建立了其数学模型。提出了一种提高角速度解算精度的新算法,该算法利用加速度计的冗余信息,解决了角速度运算的符号问题,抑制了由于角加速度积分带来的加速度计输出误差的累积。同时进行了系统东西向位移、航向角、俯仰角和横滚角的仿真。仿真结果验证了方案的可行性和算法的有效性。

无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试

提出了一种利用旋转载体自旋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。理论研究和试验表明,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。通过陀螺性能测试,陀螺输出电压与输入角速度成正比。

钟形振子式角速率陀螺机电耦合特性分析

钟形振子作为钟形振子式角速率陀螺的核心敏感元件,其机电耦合特性将直接影响钟形振子式角速率陀螺的整体性能。针对钟形振子式角速率陀螺在设计制作过程中未涉及的机电耦合特性展开分析,提出利用弹性力学中的能量原理和拉格朗日方法建立钟形振子机电耦合模型的方法,解决了钟形振子驱动与检测间的多场建模问题,实现了钟形振子的机电耦合关系的线性表征。首先通过分析压电驱动与检测原理,通过坐标变换给出压电电极在钟形振子作用的压电势能表述;利用弹性力学中的能量原理和拉格朗日方法建立钟形振子的机电耦合模型,分析压电电极与钟形振子特性间的关系,确定钟形振子的压电电极参数。最后通过试验手段,验证分析结果的正确性和可用性。

卫星高精度相对姿态确定技术

高分辨率遥感卫星姿态事后处理精度的典型指标要求为2.4″(3σ).受星敏感器低频误差影响,常规的星敏感器/陀螺组合定姿方法的姿态确定精度难以实现上述指标要求.考虑到陀螺短期测量精度高的特性,提出了一种基于陀螺测量信息的相对姿态确定方案.利用陀螺信息确定各时刻相对于起始时刻的相对姿态,起始时刻的绝对姿态精度由地面高精度标定等手段保证.采用该方案可以在一定时间内实现高精度的姿态确定精度.给出了针对该方案的理论分析、数学仿真以及物理仿真试验结果.

半球谐振子薄壁厚度不均匀性对陀螺精度的影响

针对半球谐振陀螺仪的工艺制造偏差，研究半球谐振子薄壁厚度不均匀对陀螺精度的影响，建立误差模型，分析误差机理．首先对谐振子进行应变分析，然后分析薄壳微元的受力情况，根据力和力矩平衡方程建立半球谐振子动力学方程，得出由于厚度不均匀造成的半球谐振陀螺仪角速率误差．研究结果表明其傅立叶展开式的1～3次谐波项对角速率误差无影响，而4次谐波有影响．为提高陀螺精度，对陀螺厚度不均匀加以平衡．

一种振动轮式微机械陀螺仪的特性研究

微机械惯性仪表具有成本低、可靠性高、体积小、重量轻等优点，国际上已有许多报导［１］－［５］。我们研制了一种振动轮式微机械陀螺仪［６］。本文主要针对这种微机械陀螺仪的特性进行研究：设计和研究了陀螺的检测系统、检测轴固有频率补偿回路，推导出了此类陀螺检测输入角速度的灵敏度、开环和闭环传递函数、交流反馈控制提取同相分量和抑制正交分量的原理，以及闭环控制改善动态测量频带的方法。本文的最后给出了该陀螺原理样机的初步试验结果。

制导弹药用姿态测量装置结构设计

制导弹药用姿态测量装置机械结构能够抵抗高过载、高冲击是保证弹药的姿态控制和精准制导的前提条件。针对现有制导弹药用姿态测量装置结构的存在的技术难点特别是过载能力差、体积大、结构复杂等不能满足制导弹药姿态测量装置实际需求,提出了一种结构简单、机械强度高、抗过载能力强的高过载姿态测量装置(HOAMD)的机械结构,具体包括电池单元、信号处理电路、三个钟形振子、底座和外壳。HOAMD机械结构设计通过计算机辅助工程仿真方法优化相应参数和结构,合理利用空间,采用高温高阻抗混合胶灌封及分层灌封工艺,显著提高了结构的抗过载性能。通过有限元仿真验证了所提出的HOAMD机械结构抗过载能力达万g以上,功能性试验证明了该机械结构可满足复杂高过载环境下载体姿态的测量。

平行度动态测量的新方法

平行度测量是舰船设备系统标校的前提,传统的平行度测量方法需要依赖"星"或"标"的配合,由于舰船所在位置的限制,可能不具备设置"星"或"标"的条件,利用夜空的星星也很受限。为克服环境条件对标校的限制,可以采用角速率陀螺作为传感器动态测量指向设备的平行度,推出了计算俯仰和旋回零位误差的公式,并对器件误差的影响进行了估算,计算结果说明现有的角速率陀螺器件的精度能满足本测量方法的需求。该研究成果可在舰船设备系统标校中运用,以克服传统方法依赖外界条件的难题。

一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法

维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共振陀螺的应用范围。为解决以上问题,提出了一种基于自激励的闭环控制方法,通过理论仿真模型和实验设计,验证了其正确性与可行性。仿真结果表明,采用所提出闭环控制方法的陀螺漂移可达到9×10^(-4)°/h,角速率分辨率可达到0.1°/s以内。实验结果表明,与传统方法相比,采用所提出的方法使得陀螺漂移精度提高了一个数量级,同时,为未来核磁共振陀螺小型化奠定了基础。

GFSINS姿态角速度双路组合方案设计

针对无陀螺捷联惯导系统解算载体姿态角速度精度不高的系统瓶颈,分析现有的一种九加速度计配置方案角速度信息输出特征,提出通过改进解算方法,在载体上同时获取两套相对完整而独立的姿态角速度信息从而构成姿态角速度双路组合方案的设想,并且在该组合方案中引入反馈型自适应神经网络,通过设置合理的神经网络学习周期,提供更逼近真实值的加速度计输出,结合包含加速度计误差少、没有加速度计误差积累两种优点的姿态角速度辅助算法,以获得更高精度的载体姿态角速度输出,进一步提高无陀螺捷联惯导系统导航精度。仿真结果验证了该设计思想可行性,并且证明了角速度双路组合方案相对普通角速度解算方案在精度上的优势。

适用于大角速率动力调谐陀螺仪的力矩器对比研究

作者针对动力调谐式陀螺仪最大进动角速率较小的不足 ,提出了一种结构简单、作用原理新颖的力矩器结构形式 。

金属壳谐振陀螺数字式多回路信号检测方法

针对金属壳谐振陀螺信号处理过程中,由于控制模型中的强耦合性和变结构特点,传统控制方法很难有效控制振子整体振型,导致输入角速率无法精确估计的难题,本文提出了一种结合金属壳谐振陀螺模型的数字式多回路检测方法。分析了金属壳谐振陀螺信号特点,确定数字式信号调理方式;在谐振子机电耦合模型的基础上,建立陀螺的等效电路模型;利用频域分析方法,对模型参数进行辨识;研究多回路控制检测方法与实现方式,分析各回路间的作用效果,实现输入角速率的准确检测。通过仿真验证与实际测试,验证了所述方法的有效性。

金属壳谐振陀螺大量程角速率信号检测方法研究

针对传统多回路角速率检测方法无法适应金属壳谐振陀螺大量程应用的难题,提出基于自适应滑模变结构控制器的大量程角速率信号检测方法.通过对典型金属壳谐振陀螺的动力学方程进行分析,建立出包含干扰和参数摄动部分的状态方程;采用指数趋近律选取比例积分滑模面,设计出一种适用于金属壳谐振陀螺的滑模控制器,可有效估计大量程角速率信号.仿真及试验结果表明,该解算方法能够稳定控制金属壳谐振子振型,并能准确检测大量程角速率,满足金属壳谐振陀螺的大量程环境应用.

激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测

—本文讨论了激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测的主要技术难点。针对难点，在整周期采样解调基础上提出了脉冲边沿触发鉴相解调方案，同时对该方案的合理性进行了详细分析和理论证明。文章最后指出，该方案对大角速度的高精度检测同样适用。

基于灰色预测理论的NGIMU角速度误差补偿方法

无陀螺惯性测节技术是利用加速度计代替传统的陀螺，构成无陀螺惯性测量组合（NGIMU）实现制导的，针对NGIMU中加速度计安装存在位置偏差和角度偏差的实际情况，基于灰色预测理论，提出了一种角速度误差补偿算法．算法利用加速度计的输出得到了上述情况下的角速度误差补偿公式，在传统算法中采用灰色预测方法对角速度进行补偿．最后基于提出的一种九加速度计NGIMU配置方案，组建了实验系统，进行了角度测试实验．实验结果验证了方案的可行性，同时在测试角度为±100°时，经算法补偿后测试精度可提高3°-4°。