基于KPCA和数据处理组合方法神经网络的半球谐振陀螺温度建模补偿方法

针对半球谐振陀螺(HRG)的温度建模与补偿问题,提出基于核主成分分析(KPCA)和数据处理组合方法(GMDH)神经网络的建模补偿方法.通过分析HRG的温度特性和大数据特征,初步确定网络模型的特征向量.为了去除HRG输出数据的相关性和冗余性,引入KPCA并降低特征向量维度.将特征向量代入GMDH神经网络训练,区分训练集和验证集以确定网络权值和网络结构,实现HRG温度漂移的建模与补偿.实验结果表明,单一样本预测时,所提方法预测效果明显好于传统多项式模型;多样本预测时,在4种不同训练样本下,所提方法相比传统多项式模型精度分别提升了48.5%、54.0%、56.3%、68.4%,相比GMDH模型分别提升了3.6%、5.1%、3.8%、8.8%.所提方法能够有效提高HRG在变温工况下的测量精度.

微半球谐振陀螺角速度解算优化与噪声抑制方法研究

由于微半球谐振陀螺在常规角度解算方法下角度信号会发生突变,导致角速度信号存在周跳现象,针对这一现象,采用一种基于偏导法的角速度解算方法消除跳点,并通过仿真和实验进行了验证。由于硬件噪声以及差分输出等因素,陀螺输出角速度信号噪声较大,针对这一问题,利用自抗扰控制算法抑制噪声,从理论上分析了降噪算法的可行性,并通过仿真和实验进行了验证。设计相应的测控电路进行性能测试,实验结果显示,使用偏导法进行角速度解算消除了原始信号中的跳点现象,使用自抗扰控制算法明显降低了角速度信号的噪声,改进后的零偏稳定性提高了25.63%,角度随机游走降低了83.89%。

检测误差对半球谐振陀螺进动因子的影响分析

全角(WA)模式的半球谐振陀螺(HRG)进动因子只与球壳谐振子的物理尺寸有关,但由于读出电极非正交耦合及间隙失配、检测电路增益误差等检测误差,导致进动因子的周向一致性退化。该文首先对理想半球谐振陀螺的进动因子进行了理论推导,然后针对检测误差对进动因子的影响进行了分析,结合具体的全角模式控制电路与算法,提出了检测误差的校正方法,最后通过实验验证了该校正方法的有效性。实验结果表明,进动因子的周向一致性提升了2个数量级。

微半球谐振陀螺技术研究进展

首先介绍了微半球谐振陀螺(μHRG)基于驻波进动效应进行角度或角速度检测的工作原理。依据谐振子制作工艺的区别,将微半球谐振陀螺分为微玻璃吹制型、牺牲层型、精加工型三种,并对上述三种类型微半球谐振陀螺的加工工艺方案及特点、谐振子尺寸、陀螺或谐振子性能参数的国内外研究成果进行了详细阐述。简要对比分析了三种类型微半球谐振陀螺的优缺点,如潜在精度、体积、成本、与IC可集成性、批量化前景等,指出了微半球谐振陀螺目前面临的主要工艺技术问题,并针对此从工艺方案设计、工艺参数优化等方面提出了一些可能的技术解决途径。

一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试

针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺装配。针对微半球谐振陀螺存在的初始频率裂解,提出了一种精密机械修调方法,可实现0.1 Hz内精度频率匹配修调。在此基础上,基于速率积分控制原理设计制造了陀螺的数字化测控电路。真空封装后陀螺工作频率约为6602 Hz,频率裂解为49 mHz,品质因数高于90万,衰减时间常数可达40 s。首次系统性测试了速率积分模式微半球谐振陀螺的综合性能,测试结果表明,陀螺零偏不稳定性(Allan方差)为0.235°/h,角度随机游走为0.0066°/h1/2,量程可高达±3000°/s,标度因数非线性优于8 ppm,标度因数对称性优于5 ppm,标度因数重复性优于1 ppm。

基于HNA溶液腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展

基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小,质量轻,成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结构整体对称性高的半球型模具对于半球谐振子的性能有决定性的影响。在HNA(氢氟酸、硝酸、醋酸)各向同性腐蚀液制作微半球谐振子模具的原理基础上,介绍基于HNA溶液各向同性腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展,指出了各向同性腐蚀工艺目前所面临的主要技术问题,并对此提出了一些可能的解决途径。

基于多通道锁相放大器的硅微半球谐振陀螺性能测试方法

针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号的衰减过程,通过MATLAB指数拟合,从而求得硅微半球陀螺的品质因数。再对调谐电极和模态电极同时施加直流偏压可实现两模态匹配,进而利用该锁相放大器的解调、PLL、PID等模块构建驱动闭环和敏感开环检测系统,测得硅微半球陀螺的标度因数和零偏不稳定性等参数。测试结果表明,该方法具有简单、快捷和有效等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能参数测试。

MEMS微半球谐振陀螺的力反馈模态及其FPGA平台实现

MEMS(micro-electro-mechanical system)微型陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点,MEMS微半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,文中分析了微半球谐振陀螺的工作原理以及检测方法。针对MEMS微半球谐振陀螺高工作频率,高品质因数等特点,提供了一种数字式力反馈模式下的MEMS微半球谐振陀螺数字式闭环控制检测方案以及其FPGA平台硬件实现,完成目前MEMS微半球谐振陀螺的控制与检测工作。

微谐振陀螺仪从半球到平面的演变

微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线,对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结,最后对目前存在的问题进行了分析,对未来的发展进行了展望。

微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展

微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万,零偏不稳定性已达到导航级指标(0.01°/h),显示出了极大的性能潜力优势。随着微半球谐振陀螺结构尺寸与体积不断减小,其相对制造误差更加凸显,具体表现为陀螺工作模态频率裂解误差,这将直接导致陀螺输出零偏漂移与噪声增大,严重制约陀螺综合性能提升。频率修调技术是微半球谐振陀螺制造过程中的核心工艺之一,不同于传统的机械加工方法,受材料与结构尺寸限制,必须要开发新的修调工艺。介绍了多种微半球谐振陀螺的频率修调方法,对比分析了不同工艺特点,并对微半球谐振陀螺修调技术发展趋势进行了总结与展望。

基于优化半球陀螺谐振子性能的工艺技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的关键组成部件,而其性能参数是制造高精度半球谐振陀螺的关键,针对谐振子加工后表面的复杂结构、多种缺陷层和球壳质量不平衡,讨论化学处理工艺和离子束调平技术对谐振子主要性能参数品质因数和频差的优化。实验结果表明该工艺技术效果显著。

力平衡模式下半球谐振陀螺数字控制回路设计

由于半球谐振陀螺(HRG)特殊的工作原理、制作工艺及装配误差对陀螺精度和性能的影响,需控制电路对其进行修正和补偿,现有半球谐振陀螺控制电路对陀螺的精度提高有限,仅达0.07(°)/h。该文主要阐述了半球谐振陀螺在力平衡模式下的工作原理,对半球谐振陀螺的误差进行了分析,介绍了比例、积分、微分(PID)控制算法,并对所设计的数字控制回路进行分析。试验结果表明,采用该数字控制回路设计方案能有效改善半球谐振陀螺性能,与已有控制电路比,陀螺精度可达0.005(°)/h,更好地满足了其应用于航空领域的精度要求。

半球谐振陀螺在宇宙飞船上的应用

半球谐振陀螺（ＨＲＧ）作为一种惯性级陀螺经历了曲折的发展历程。９０ 年代初，美国Ｄｅｌｃｏ 公司的ＨＲＧ已达到实用水平并已小批量生产。１９９４ 年５ 月，世界上最大的惯性系统制造商之一的利顿公司宣布收购Ｄｅｌｃｏ 公司，在中国研究者心目中打了一个很大的问号。当人们还在猜测这次兼并的内幕的时候，ＨＲＧ已贴上利顿公司的标签，登上了航天应用的舞台。可见，ＨＲＧ具有很强的生命力，可用于航空惯导系统、兵器惯导系统，更是空间任务的最佳选择。文章简述了ＨＲＧ的国内外发展状况和应用前景，对发展ＨＲＧ的目标、技术关键和途径提出了粗浅的看法。

力反馈模式半球谐振陀螺仪的正交控制

介绍了半球谐振陀螺仪在力反馈工作模式下的普通控制与正交控制的概念,推导了半球谐振子唇沿振动和波腹方位角表达式,建立了谐振子存在密度不均匀缺陷时谐振子的动力学方程,由此得到了谐振子振动位移的状态方程,进而通过解微分方程求出了状态方程的精确解析解。然后给出了普通控制方法和正交控制方法的主激励电压与辅助激励电压比值的表达式,由此可精确估计陀螺的输入角速率。对这两种控制方法的解算角速率误差进行了比较与仿真分析,分析表明正交控制方法可有效抑制半球谐振子工艺缺陷带来的误差。最后给出了两种工作模式下为保证半球谐振陀螺角速率估计精度所要求的密度四次谐波的允差。

半球谐振陀螺一种测角速率的方法

本文介绍了基于英国科学家G.H.Bryan的理论而工作的新型半球谐振陀螺仪(HRG)的工作原理。描述了半球谐振陀螺的测角过程。当陀螺壳体绕中心轴旋转时,由于哥氏效应(coriolis effect),谐振子振型相对壳体产生进动,通过控制双点激励力的幅值比,可实现振型对壳体转动角的跟踪,从而形成一种半球谐振陀螺检测角速率的方法。

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。

基于UPF的半球谐振陀螺平台自对准技术研究

针对静基座条件下大方位失调角时,平台自对准回路存在严重非线性的问题,设计了一种基于无迹粒子滤波技术的半球谐振陀螺平台自对准方案,并进行了数值仿真和转台试验验证。结果表明,此方法可缩短对准时间,具有算法简单,实用性强,对准精度高等特点,为半球谐振陀螺在平台中的应用进行了探索。

力反馈模式半球谐振陀螺幅度控制方法优化

半球谐振陀螺(HRG)幅度控制环路用于陀螺的振动激发和振动幅度维持,工作于力反馈模式的半球谐振陀螺,其标度因数与陀螺振动幅度成正比。该文对半球陀螺力反馈模式工作原理进行了理论推导,然后分析了传统幅度控制方式受外界温度变化、电子元器件老化等原因影响,将会导致半球陀螺标度因数发生变化,最后提出了半球陀螺幅度控制的优化方法,在实现相同标度因数稳定性的的情况下,大幅降低电路实现难度。

半球谐振陀螺静电驱动建模与分析

该文构建了半球谐振陀螺(HRG)谐振子的静电驱动模型,对半球谐振子的1/2倍、1倍、2倍和更高阶频率电压信号的静电驱动力进行了理论推导分析。结果表明,该文得到的半球谐振子仅对其1/2倍、1倍及2倍谐振频率敏感,对其他频率信号不敏感。并推导出施加不同方式驱动电压信号力的大小,为半球谐振陀螺的驱动和闭环电路设计提供了依据。

石英半球型微谐振器的仿真与加工

该文对石英半球型微谐振器进行了模态仿真,分析了前十阶振型及适合陀螺工作的模态,讨论了谐振器壁厚变化对四波腹模态谐振频率的影响。利用吹玻璃法和湿法腐蚀制作了石英半球型微谐振器,跟踪不同的腐蚀速率得出湿法腐蚀可精确控制壁厚的结论。测试腐蚀后的谐振器表面粗糙度仅为0.581nm,保留了原子级别的光滑度。