机抖激光陀螺温度场的有限元模拟与实验

为了研究机抖激光陀螺内在热源对陀螺性能的影响,利用有限元分析软件ANSYS建立了机抖激光陀螺的温度场模型,对有限元模型进行了温度场仿真分析。描述了有限元模型的简化方法,介绍了材料热参数的处理及热生成率和换热系数的计算方法,最后给出了机抖激光陀螺的稳态温度场1h和3h的瞬态温度场分布,指出了机抖激光陀螺的最高、最低温度分布区域及温度梯度分布情况。设计了高精度的铂电阻测温电路,其测温精度为0.005℃,仿真与实验对比结果表明,计算误差优于2%,验证了模型的正确性和合理性。本文的研究方法可为陀螺盒体内部测温点的选取提供指导意见,有助于提高机抖激光陀螺的温度补偿效果。

机抖激光陀螺捷联惯导系统的温度补偿方法

分析了系统温度对机抖激光陀螺捷联惯性导航系统的影响因素,介绍了降低和补偿捷联系统温度误差的4种方法。通过重复性温度实验,利用逐步回归法分析了激光陀螺零偏与温度的关系;通过多项式拟合,分别得到了加速度计的零偏、标度因子和IF转换电路的温度补偿模型,并在捷联系统中得到应用。对其中的两种方法进行了实验研究和导航测试,并对两种方法的补偿效果进行了对比。结果表明:通过温度实验得到惯性器件的温度补偿模型对其温度误差进行实时补偿是捷联系统最理想的补偿方法。补偿后系统定位测试1 h的圆概率误差(CEP)优于0.3 n mile/h,达到国内先进水平。

机抖激光陀螺动力学特性研究

在构建激光陀螺捷联系统时,三个激光陀螺安装在同一个基座上。由于三个陀螺振子都在进行高频角振动,激励基座产生耦合振动,造成陀螺是在振动基座环境下工作,引起激光捷联系统的抖动耦合误差,导致系统导航精度下降。采用有限元方法研究了机抖激光陀螺的动力学特性和振动模态,以及机抖激光陀螺的振子抖动对基座的影响和外界激励条件下陀螺的响应。通过压电陶瓷激励下陀螺的频率响应分析,实现了激光陀螺工作状态下的动力学仿真,可以获得陀螺工作时激光陀螺任意位置的动力学响应信息,从而为激光陀螺和基座的结构设计提供评判依据,也为分析激光捷联系统的抖动耦合误差开辟了新途径。

机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差参数估计与补偿

针对振动环境下机抖激光陀螺敏感轴产生动态偏移造成惯导系统精度下降的问题,从理论上推导了机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差模型,并结合工程实际建立了简化的误差模型;在此简化误差模型基础上,推导了陀螺敏感轴动态偏移造成的等效陀螺漂移与比力、角速度的耦合关系;将机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差归结为9个待辨识参数,针对该模型中的待辨识参数设计了标定方法,并给出了标定实验设计原则;以姿态误差为观测量进行振动实验对待辨识参数进行估计,振动实验结果表明,在10 min线振动时间内,机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差补偿后,捷联惯导系统纯惯导速度误差减小30%以上。

机抖激光陀螺减振系统的模态分析

通过对惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)进行减振,可以减小外部冲击、振动对IMU正常工作和测量精度的影响,提高系统导航精度。基于patran/marc有限元分析软件对激光陀螺IMU的减振系统进行模态分析,得到减振系统主要的模态及频率。主要通过仿真分析了减振橡胶块的温度、轴向压缩量和径向压缩量三项关键因素对减振系统模态的影响,提出了一种IMU减振系统的优化设计方案。结论表明:可通过改变结构参数方式来调整减振系统参数,从而满足机抖激光陀螺惯导的应用要求。

二频机抖激光陀螺漂移数据滤波方法

为了有效抑制二频机抖激光陀螺(RLG)输出数据中的随机漂移,提出了一种结合谐波小波预滤波进行网络训练的径向基函数(RBF)神经网络滤波方法。原始的陀螺输出经过谐波小波预滤波消噪,消噪后的数据作为RBF神经网络训练样本的期望输出,对神经网络进行训练。以实测的长时间陀螺输出对完成训练的RBF神经网络的有效性进行验证,并利用Allan方差法对网络滤波前后的陀螺数据进行分析。结果表明:该方法有效降低了机抖激光陀螺的各项随机误差,提高了其使用精度。

机抖激光陀螺安装盒优化设计

为获得更轻型有效的机抖激光陀螺安装盒结构,同时保持相对稳定的动力学特性,在现有型号基础上研究了机抖激光陀螺安装盒的优化设计方法。利用ANSYS10.0软件建立了机抖激光陀螺及安装盒的有限元模型,利用Block Lanczos Method进行模态求解,得到结构的各阶谐振频率。以安装盒质量为优化目标,同时以静力学、动力学和其他要求作为约束条件,采用序列二次规划法对机抖激光陀螺安装盒进行了优化设计。通过优化设计,在满足一阶谐振频率不变、二阶以上谐振频率值下降不小于50 Hz的设计要求下,安装盒质量由0.590 kg减小到0.394 kg,减少了33.2%;同时其静强度安全系数由原来的3.73提高到3.96,提高了6.2%。详细地研究了安装盒几何参数(R,L,W,T1,T2)对机抖激光陀螺的影响规律。该优化设计方法提高了机抖激光陀螺安装盒设计的可靠性和效率,对机抖激光陀螺整体优化设计有重要意义。

机抖激光陀螺压电陶瓷驱动器参数设计

为了消除闭锁效应,激光陀螺常采用机械抖动偏频方案,利用压电陶瓷驱动器来驱动谐振腔绕垂直于环路平面的轴线快速来回转动。在考虑压电陶瓷驱动器的情况下建立了抖动结构的理论模型,对抖动频率进行了理论分析,给出了抖动频率的解析解。建立了机抖激光陀螺的有限元仿真模型,进行了模态分析,通过与扫频试验结果对比,理论分析计算误差为5.68%,有限元分析计算误差为1.04%,验证了模型的合理性和精确性。分析了压电陶瓷驱动器参数(厚度、宽度)对谐振频率的影响规律,为机抖激光陀螺的研发和设计提供参考依据。

机抖激光陀螺抖动控制环路频率特性的校正

针对所研制的机抖激光陀螺抖动控制环路带宽不够的情况,运用相位超前校正方法对环路实行校正,在保证稳定裕度和稳态精度的情况下,将环路带宽提高7倍。

机抖激光陀螺的伪圆锥运动研究

对于机抖激光陀螺捷联惯导系统,激光陀螺的机械抖动偏频引入伪圆锥运动。本文推导了伪圆锥运动情况下等效旋转矢量的误差表达式。分析了伪圆锥误差的起因、影响因素。研究了圆锥补偿算法在伪圆锥运动中的适用性。从最小化姿态计算误差的角度,提出了机械抖动频率的设计准则,并设计数字滤波器去除抖动信号噪声。分析结果表明:合理设置抖动频率,再结合数字滤波器可以有效提高的姿态计算精度。

基于人工鱼群算法的机抖激光陀螺温度补偿

温度是影响激光陀螺精度的主要因素之一,对温度引起的机抖激光陀螺漂移进行精确建模,对提高激光陀螺捷联惯导系统的精度具有十分重要的意义。介绍了机抖激光陀螺的温度特性,建立了基于改进人工鱼群算法(Improved Artificial Fish Swarm Algorithm,IAFSA)的机抖激光陀螺温度补偿模型,给出了IAFSA建模的详细步骤和方法,对传统的逐步回归方法和IAFSA进行了比较。结果表明:IAFSA可以对温度引起的激光陀螺漂移进行精确建模,补偿后的激光陀螺零偏不稳定性达到0.001 85(°)/h,比传统的逐步回归方法建模精度提高了15.5%,得到的温度补偿模型可以对陀螺的零偏进行实时补偿,设计了两种典型的温度试验,获得了满意的补偿效果。

压电陶瓷驱动机抖激光陀螺抖动特性仿真分析

二频机抖激光陀螺由于静态锁区和动态锁区的客观存在,要求光学谐振腔体不仅要绕敏感轴作正弦抖动,还要按一定的随机规律改变抖动幅度。二频机抖激光陀螺捷联惯导系统机械结构较复杂,很难通过解析法求解其振动特性,采用有限元法对二频机抖激光陀螺抖动特性的仿真方法进行研究。对激光陀螺的关键点进行激光测振实验,对激光陀螺的输出信号进行了高频采样;并对所得采样数据进行功率谱分析,证明了仿真方法的正确性。采用该方法对激光陀螺工作状态进行动力学仿真,可获得工作状态下任意位置的动力学参数,对分析激光陀螺及捷联系统因抖动而产生的误差有重要意义。

机抖激光陀螺的实时数据检测及压缩处理

首先推导了一种对捷联惯导系统中机械抖动激光陀螺的原始高速采样数据进行预测的方法,然后讨论了根据此方法对激光陀螺的原始采样数据进行检测处理的过程。在实现对抖动幅度和抖动之间的干扰进行监控的同时,实时判断原始采样数据中的异常值,并用接近真实的值去替代异常值,提高了捷联系统的可靠性和容错能力。最后,详细介绍了利用此数据预测方法和Golomb编码对惯性器件的采样数据进行无损压缩与处理的步骤。此数据检测和压缩方法已经在实际捷联惯导系统中得到了验证,实现了对机科激光陀螺原始采样数据的监控和传输保存,在增强了系统可靠性的同时方便了试验数据的分析和处理。

降低机抖激光陀螺角随机游走的一种新方法

提出了应用小波变换的机抖激光陀螺信号前向线性预测技术,利用离散小波分频段的特点,在不同频段应用多重前向线性预测技术,结果表明:使用离散小波变换的前向线性预测,降低机抖激光陀螺角随机游走的能力是普通前向线性预测方法的3倍左右.

机抖激光陀螺误差输出特性的分析

抖动机构作为机抖激光陀螺的关键环节,其参数的选择直接影响着机抖激光陀螺的误差输出特性.为了在陀螺设计时选择最佳抖动参数,提高机抖激光陀螺的测量精度,根据抖动偏频的基本原理,对抖动参数对机抖激光陀螺的偏置误差、刻度因子误差、角度随机游走误差的影响进行了深入分析.结果表明:机抖激光陀螺的偏置误差随着抖动幅度的减小而减小;在一定范围内刻度因子误差随着抖动幅度的增大而增大,超出这个范围随着抖动幅度的增大而减小;减小抖动角幅度可减小角度随机游误差.

基于RBF神经网络的机抖激光陀螺零偏的温度补偿的研究

温度偏置漂移是存在于激光陀螺中使得输出信号产生较大偏置误差的一种不可忽略因素,准确地辨识漂移并有效地对其进行补偿直接关系到激光陀螺的测量精度。通过温度实验研究了机抖激光陀螺的温度特性,采用RBF网络进行温漂辨识。温漂辨识可以通过离线事先学习,因而在多种学习方法中选择了简单易行、精度高且运算速度快的正交最小二乘(OLS)法。通过实验验证,采用RBF网络及其OLS学习算法可以快速、有效、高精度地辨识并补偿温漂。

机抖激光陀螺捷联系统中惯性器件的温度补偿的研究

研究了机抖激光陀螺和加速度计的温度特性。通过重复性温度实验,得到了激光陀螺零偏的温度补偿模型;通过静态特性测试,得到了加速度计的补偿模型。结果表明,得到的模型可以有效补偿惯性传感器的漂移,使陀螺的精度提高了4.6倍,加速度计的漂移小于一个脉冲,并可以通过温度补偿来缩短系统的预热时间,由原来的半小时到基本不需预热;系统的精度提高了1倍。

二频机抖激光陀螺小范围温度漂移补偿模型的研究

从实验上研究了环境温度变化在10℃范围内二频机抖陀螺的零偏和温度的关系。通过大量高低温环境的重复性温度实验,利用逐步回归法建立了一种零偏温度补偿模型,并对该模型的补偿效果进行了实验测试。结果表明,在小范围内二频机抖陀螺的零偏和温度、温度梯度及温度速率有较好的线性关系和重复性,可以通过建立温度补偿模型来提高陀螺的精度,而且该模型完全满足工程上的实时补偿要求。

二频机抖激光陀螺温度漂移补偿的初步研究

从实验上研究了二频机抖陀螺的零偏和温度的关系。通过重复性温度实验,利用最小二乘法得到了拟合曲线表达式。结果表明,二频机抖陀螺的零偏和温度具有较好的线性关系和重复性,可以通过温度补偿来提高陀螺的精度。

二频机抖激光陀螺抖动频率与温度关系的研究

针对激光陀螺的零偏受温度影响较大,为提高陀螺精度,研究了二频机抖激光陀螺抖动频率与温度之间的关系。通过大量的重复性高低温实验,证明了抖动频率与温度的线性关系,并得到了拟合直线表达式。结果表明,抖动频率与温度具有较好的线性关系,抖动频率可作为温度测量的计量,而且具有较好的重复性。由于测量抖动频率的精度较高,故由抖动频率测量温度具有很高的分辨率。同时用抖动频率对陀螺的零偏进行补偿,提高了陀螺的精度。