一种微机电系统陀螺信号基于小波域的Karhunen-Loeve变换去噪方法

为了减少梳状音叉微机电系统(MEMS)陀螺的随机漂移误差,提出了一种小波域上的Karhunen-Loeve变换(KLT)的MEMS陀螺漂移信号的去噪方法。其主要思想是:先对分段的MEMS陀螺漂移信号进行小波分解;然后对各个中高频子带进行6抽头滤波,插值成和最高频带相同长度的样本点后,利用小波各尺度间的相似性进行高频分量的KLT变换,在一定程度上去除不相干噪声;最后对KLT降噪后的信号再进行小波阈值处理完成进一步的降噪。实验结果表明,所提方法相对于基于小波变换的各种阈值方法,陀螺输出信号的方差、零偏稳定性和随机游走误差都有了明显的改善。

微机电系统陀螺仪随机漂移误差建模与滤波研究

随机漂移是微机电系统(MEMS)陀螺的主要误差,建立其数学模型并在输出中加以补偿是抑制该项误差、提高MEMS陀螺精度的有效方法。采用Allan方差对MEMS陀螺实测数据进行了分析,并采用时间序列分析法建立了随机漂移模型。根据建立的漂移模型,就如何利用Kalman滤波抑制随机漂移误差进行了分析和研究。

基于微机电系统陀螺传感器的FIR滤波器设计

针对微机电系统(MEMS)陀螺传感器噪声较大的特点,分析了MEMS陀螺数据功率谱,指出该型MEMS陀螺有较强高频噪声和干扰信号,提出了FIR滤波器的设计指标,利用Hamming窗函数法设计了FIR滤波器,最后利用所设计的滤波器对该MEMS陀螺数据进行预滤波处理,并有效应用于2个不同的MEMS陀螺。结果表明,滤波预处理后的数据按照期望对高频数据进行了衰减,设计的FIR滤波器可有效滤除MEMS陀螺的高频噪声,提高角速率测量精度,改善陀螺零偏稳定性,具有一定的工程应用价值。

煤矿井下微机电系统陀螺随机误差辨识

针对常用随机误差辨识方法不能揭示潜在的误差源、很难分离出具体随机误差、数据采集时间过长等问题,利用Allan方差分析法对煤矿井下微机电系统(MEMS)陀螺随机误差进行辨识。介绍了Allan方差分析法原理,利用Allan方差分析法对MEMS陀螺实测数据进行处理,给出了Allan标准差曲线,通过最小二乘拟合得到MEMS陀螺的主要随机误差系数。实验结果验证了Allan方差分析法用于MEMS陀螺随机误差辨识的有效性。

高精度惯性导航系统的技术预见

面对水下装备无人化/智能化的发展趋势,系统分析国内外知名惯性导航系统生产公司的产品,梳理水下装备的核心设备—惯性导航系统的发展趋势。基于工具检索国内外知名惯性导航系统公司的公开文献、专利以及产品手册等开源信息,提炼关键信息以及参数进行对比分析。目前,光纤陀螺惯性导航系统在国内已成为实现水下装备高精度定位的核心产品,基于谐振陀螺的惯性导航系统尚处于研发阶段。国际市场上,基于激光陀螺的惯性导航产品正逐渐被基于谐振陀螺和光纤陀螺的惯性产品替代。从法国赛峰和Exail这两家顶尖公司的产品指标看,谐振陀螺高精度惯性产品相比光纤陀螺高精度惯性产品而言,无论在体积还是在质量上都有较大优势,后续可能完全替代光纤陀螺系统成为市场主流。

微机电系统陀螺仪单层隔热槽结构优化设计

微机电系统陀螺仪是现代制导武器的核心器件,随着武器装备的发展,国防领域对陀螺仪的综合性能提出了更高的要求,提升性能的重点是要提升陀螺仪谐振结构的品质因数和降低机械热噪声。环形微机电系统陀螺仪是当前最具发展潜力的微机电系统陀螺仪方案之一,为了进一步提升环形微机电系统陀螺仪的性能,基于热弹性耗散理论,在陀螺仪谐振结构的外环上添加隔热槽结构以减小热弹性阻尼和提升品质因数(Q值)。通过有限元仿真的方法研究了隔热槽的位置、数量和尺寸对陀螺仪谐振频率、品质因数、等效质量和机械热噪声的影响规律,进而对环形结构进行了隔热槽的优化设计。仿真结果表明,陀螺仪热弹性品质因数提升了139%,机械热噪声减小了26.9%,研究结果可以用来指导微机电系统陀螺仪的结构优化设计。

微纳卫星陀螺阵列系统信息融合

为了实现微纳卫星MEMS陀螺动态在线滤波,对MEMS陀螺阵列建模,设计可应用于动态过程的最优在线数据融合算法,建立陀螺阵列测试系统,并对融合滤波的陀螺系统的性能对比分析。首先,建立多个陀螺的量测模型。接着基于信息融合模型,使用Kalman滤波算法,对预测的协方差矩阵进无求逆运算迭代;然后,基于误差估计,对动态时变信号滤波模型建模,并给出了融合滤波方法;最后,搭建6个MEMS陀螺在线滤波系统,验证该算法的有效性。实验结果表明:滤波误差可降低为单陀螺采样误差的1/15,精度提高一个数量级;运算量相比层序式滤波减少为1/4,计算时间减少为1/3。本文所提算法在提高精度的基础上,显著提高了MEMS陀螺系统的性能指标,拓展了MEMS陀螺在微纳卫星的应用范围。

力平衡模式下MEMS陀螺正交误差实时校正系统设计

针对微机电系统(MEMS)陀螺受加工误差影响,驱动与检测模态之间存在与科氏力相位差为90°的正交耦合力,限制了陀螺零偏的稳定性的问题,设计了力平衡模式下的正交误差实时校正系统。系统科氏环路采用力平衡法实现闭环检测;正交环路通过调整校正电压,消除结构刚度耦合,实现实时校正。实验结果表明:实时校正系统有效抑制了正交误差,改善了陀螺零偏性能。在5~65℃温度范围内,零偏温漂由手动一次性校正的0.75°/s变为实时校正的0.1°/s,减小了7.5倍;室温下,零偏不稳定性由4.05°/h降低为0.96°/h。

陀螺系统时间有限元方法

将保辛的时间有限元方法应用于陀螺系统,扩展时间有限元方法的应用领域。同时导出陀螺系统时间有限元方法的形函数矩阵、时间单元刚度阵列式和非齐次外力的表达式。该方法既继承了有限元保辛的优良特性,又大大提高了数值计算精度,具有非常明显的优越性。算例给出本文方法、四阶Runge-Kutta方法与Newmark方法的比较结果,进一步表明本方法的优越性。

陀螺系统随机振动分析的辛本征展开方法

探讨了受随机载荷作用下陀螺阻尼系统随机动力响应问题.虚拟激励法作为随机振动分析的一种高效、精确方法已经广泛应用于结构抗震、抗风等工程领域.在以单类物理变量描述的Lagrange(拉格朗日)体系框架下,振型分解方法已被有效应用于上述随机振动问题的模型自由度缩减.然而,对于陀螺系统的随机振动问题,由于陀螺效应的存在,基于Rayleigh商本征值的振型分解方法受到很大限制.对此,首先给出了陀螺系统辛本征值问题的一般形式.然后对于受平稳随机载荷激励的陀螺系统(无阻尼或有阻尼)引入虚拟激励法,基于辛本征空间展开推导了系统随机振动响应功率谱的求解列式;对于仅考虑陀螺效应的保守系统(无阻尼),该求解列式可以表述为一个显式表达式.在数值算例中,应用该文提出的方法分析了平稳随机载荷作用下一类阻尼陀螺系统的随机振动响应问题,通过与其它方法进行对比,验证了该方法的精确性和有效性.

三维光纤陀螺系统分布式测量思安江面板堆石坝挠度

本文阐述高砼面板堆石坝面板挠度监测技术的最新进展,作者提出并首次在思安江砼面板堆石坝实现砼面板挠度三维光纤陀螺(FOG)系统的测量技术,取得令人关注的科研成果。研制的三维光纤陀螺具有小动态、高精度的特点;FOG系统运行管道和测量小车的设计是合理的,且测值稳定、可靠、重复性好。

斜装陀螺系统及其故障检测

分析了陀螺系统构型对卫星可靠性和姿态控制系统性能的影响，基于６个陀螺全部斜装的八面体构型，设计了等价空间故障检测算法。仿真结果表明，采用这种陀螺构型和故障检测算法，系统可检测较小幅度的软故障，从而获得优良的容错性能。

陀螺系统的受迫振动及其时滞反馈控制

对简谐激励下陀螺系统的受迫振动及其在含时滞的位移和速度反馈控制下的动力学行为进行研究。利用拉格朗日方程,建立两自由度陀螺系统的运动微分方程。考虑主共振和1:1内共振的情况,采用平均法得到了平均方程。通过对平均方程进行化简,得到关于系统振幅的分岔方程,分别讨论各个参数对系统振幅的影响。根据奇异性理论,分析参数变化对系统分岔行为的影响。对受迫陀螺系统施加含时滞的位移和速度反馈控制,讨论反馈增益和时滞对系统振幅的影响。

大型航天器单框架控制力矩陀螺系统全物理仿真

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)是一种重要的航天器动量交换装置。用SGCMG作姿控部件的大型航天器姿态控制/动量管理系统是我国未来航天器发展的一个重点研究问题。本文利用三轴全物理仿真气浮台作为控制对象,模拟航天器在外层空间所受扰动力矩很小的力学环境。把SGCMG姿态控制/动量管理系统置于气浮台上,组成与航天器控制系统相同的仿真回路,来研究其动力学、动量交换、动量耦合以及控制系统中尚不清楚的一些问题。实践证明该仿真系统能够很好模拟航天器的力学环境,为SGCMG系统的进一步研究打下了很好的基础。

陀螺系统与反对称矩阵辛本征解的计算

用状态向量法,引出陀螺线性系统的广义本征问题,证明了本征向量之间的加权共轭辛正交关系,以及用本征向量对任意状态向量的展开定理。运用反对称矩阵胞块组成的LDL^T分解,将本征方程导向辛本征问题的标准型。这套方法适用于陀螺系统K阵不正定的情形。对于辛本征问题用SH变换将矩阵化为半边三对角线胞块阵或三对角线胞块阵,然后再求解其全部本征解。为陀螺系统的模态分析打下了基础。

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。

阻尼陀螺系统动力响应的有限元复模态分析方法

采用复模态分析方法研究了陀螺系统及具有粘性阻尼的陀螺系统的动力响应及其数值分析方法,提出了陀螺模态阻尼比的概念,实现了利用有限元结构分析软件对诸如薄壁旋转轴和转动薄壁壳体等各类形式的复杂旋转薄壁结构进行动力特性分析的目的,讨论了不同条件(单点旋转简谐激励和沿圆周呈周波型分布的激励)条件下转动薄壁壳体结构的行波振动特点.

直接侧向力控制火箭弹的微机电系统速率陀螺滤波方法

火箭弹采用直接侧向力轨道控制时会使弹体姿态产生较高频率的振动,其对微机电系统(MEMS)速率陀螺测量会产生不利影响。目前的滤波算法通常假设弹体姿态在短时间内是缓变的,因此其对高频运动的弹体姿态滤波效果较差。根据气动力学分析可知,弹体在短暂冲击后的高频振荡属于自然频率下的阻尼振荡,而弹体的自然频率和阻尼是可预先估计的,因此可应用基于摆动Markov模型的交互多模型(IMM)来描述弹体姿态的不确定变化,并利用点火时间动态调整模型概率转移矩阵。仿真实验表明,基于摆动Markov的IMM滤波算法可对MEMS速率陀螺输出有较好的滤波效果。

陀螺系统辛子空间迭代法

转子系统的有限元分析可以导出陀螺系统的本征值问题,而陀螺本征值问题可在哈密顿体系下求解。基于辛子空间迭代法的思想,提出了一种求解陀螺系统本征值问题的算法。首先引入对偶变量,将陀螺动力系统导入哈密顿体系,将问题化为了哈密顿矩阵的本征值问题,由于稳定的陀螺系统其本征值必为纯虚数,利用这个特点,提出了对应陀螺系统的辛子空间迭代法,从而可以求出系统任意阶的本征值及其振型。算例证明了这种算法的有效性。

随钻陀螺测量系统研发及应用

为了解决海上油田丛式井网磁干扰环境下的井眼轨迹随钻精确测量与防碰难题,成功研发了基于光纤陀螺的随钻陀螺测量系统。系统由地面部分和井下部分组成,井下部分安装在203.2 mm钻铤内,通过泥浆压力脉冲进行数据传输。对陀螺传感器进行小型化和提高抗振性的研究,使其满足了钻井环境的要求。在室内和试验井进行了系统的测量精度、抗振性、耐温性以及钻井环境适应性测试,各项性能都达到了研发指标。通过在渤海某油田的现场应用结果表明,随钻陀螺测量系统的测量精度达到轨迹控制要求,工具性能及结构强度满足钻井作业环境。该系统现场操作简单,对磁干扰环境下的井眼轨迹精确测量与控制具有重要作用。