半球谐振陀螺仪的误差机理分析与测试

论文摘要

半球谐振陀螺仪以其寿命长、可靠性高、体积小、重量轻、精度高而且可微型化的优点将在卫星、潜艇等领域有着广泛的应用前景。对半球谐振陀螺仪进行研究，改进它的制造工艺水平，提高它的使用精度，具有非常重要的理论意义与实用价值。本文以某预研项目为背景，针对半球谐振陀螺仪中存在的模型非线性、影响陀螺仪精度的系统误差的误差机理、随机误差的辨识、三轴转台的误差的影响，以及技术指标的测试方法和误差模型系数辨识等方面的问题进行了研究。在综述了哥氏振动陀螺的基础上，介绍了目前研制的半球谐振陀螺仪的国内外研究与应用现状，并对半球谐振陀螺仪的随机误差与系统误差的误差源、误差模型、误差测试分析与辨识方法等进行了综述，指出了提高半球谐振陀螺精度的意义与重要性。为充分体现各种因素的影响以及它们之间的相互关系，将半球薄壳唇沿简化为环形谐振子，利用基希霍夫-李亚夫假设条件，给出了谐振子位移几何关系，根据能量守恒原理和分析力学的相关知识推导了环形谐振子的动力学模型，并分别在参数激励和位置激励方式下，分析了角速率平方项以及角加速度项的影响，分析了激励频率与谐振频率不一致时，对于半球谐振陀螺仪解算精度的影响。针对影响半球谐振陀螺仪精度的谐振子误差源及其误差机理进行了分析。对2种误差源，即谐振子半径不均匀和品质因数不均匀进行了研究，通过半球谐振陀螺仪的半径不均匀和品质因数不均匀对驻波漂移速率影响的仿真计算，给出了其对于半球谐振陀仪螺漂移的影响。根据环形谐振子的动力学方程推导出了半径不均匀的四次谐波引起谐振子的频率裂解，它将带来非等弹性和非等阻尼误差，从而对陀螺仪的零偏项产生影响；推导了品质因数不均匀的四次谐波带来非等阻尼误差，从而影响陀螺仪的零偏项。针对影响半球谐振陀螺仪精度的装配误差源及其误差机理进行了分析。对电极和位移传感器对准误差、由于比力存在时支撑杆装配刚度项相关误差进行了研究。电极、位移传感器的对准误差引起陀螺仪的非线性输出，通过实验证明了对准误差引起角速率平方和立方项误差，同时带来零偏和标度因子误差；比力的存在由于谐振子支撑杆的刚度，引起对准误差，带来零偏误差。然后给出了满足陀螺仪精度的部分误差源的允差，最后针对相关误差源给出了相应的抑制方法。针对半球谐振陀螺仪技术指标的测试方法进行了研究。设计了陀螺仪的失准角的测试方法，采用误差分离技术分离了转台安装误差、夹具误差和失准角误差，并对失准角误差进行了实测；设计了品质因数相关的技术指标的测试方法，利用激励到稳态再断电，通过测量衰减时间常数完成了品质因数的测试；利用三轴转台两个正交轴系的速率功能设计了测试半球谐振陀螺仪带宽的方法；利用两组电极和位移传感器，设计了频率裂解及固有刚性轴的测试与辨识方法，并给出了最佳的采样时刻。针对半球谐振陀螺仪误差模型系数的辨识方法问题进行了研究。设计了基于D最优的多位置试验方法；设计了半球谐振陀螺仪误差模型系数在三轴转台上标定方法，并分析了三轴转台的误差如何影响半球谐振陀螺仪误差模型系数的测试误差；采用Allan方差方法对陀螺仪的随机误差进行分析，确定了半球谐振陀螺仪零漂数据中随机误差噪声的主要成分，并给出了辨识结果。这些技术指标的测试方法和误差模型系数的辨识方法为半球谐振陀螺仪的精密测试、提高使用精度奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 哥氏振动陀螺仪简介
• 1.2.1 压电振动陀螺
• 1.2.2 微机械振动陀螺
• 1.2.3 半球谐振陀螺仪简介
• 1.3 半球谐振陀螺仪国内外研究及应用现状
• 1.3.1 国外半球谐振陀螺仪的研究概况
• 1.3.2 国内半球谐振陀螺仪的研究概况
• 1.4 半球谐振陀螺仪的误差机理分析综述
• 1.4.1 半球谐振陀螺仪的系统误差源及分类
• 1.4.2 半球谐振陀螺仪的随机误差
• 1.5 半球谐振陀螺仪模型综述
• 1.6 半球谐振陀螺仪误差测试方法综述
• 1.6.1 半球谐振陀螺仪的误差模型
• 1.6.2 误差分析方法
• 1.6.3 误差模型系数的测试方法
• 1.7 本文的主要研究内容
• 第2章 环形模型建模与参数误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 半球谐振陀螺仪的结构以及工作原理
• 2.3 环形谐振子的动力学模型
• 2.4 半球谐振陀螺仪振动的激励方式
• 2.4.1 半球谐振陀螺仪的位置激励
• 2.4.2 半球谐振陀螺仪的参数激励
• 2.5 半球谐振陀螺仪的工作方式
• 2.5.1 全角模式的工作原理
• 2.5.2 力反馈模式的工作原理
• 2.6 环形模型的修正
• 2的影响分析'>2.6.1 参数激励下Ω,Ω²的影响分析
• 2的影响分析'>2.6.2 开环模式位置激励下Ω,Ω²的影响分析
• 2的影响分析'>2.6.3 力反馈模式下Ω,Ω²的影响分析
• 2.7 频率不一致对于解算精度的影响
• 2.7.1 参数激励下频率不一致对于解算精度的影响分析
• 2.7.2 开环位置激励下频率不一致对于解算精度的影响分析
• 2.7.3 力反馈模式下频率不一致对于解算精度的影响分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 半球谐振子的误差机理分析
• 3.1 引言
• 3.2 谐振子的半径不均匀对于陀螺仪精度的影响
• 3.2.1 参数激励下半径不均匀对解算精度的影响
• 3.2.2 开环位置激励下半径不均匀对于精度的影响
• 3.2.3 力反馈模式下半径不均匀对于精度的影响
• 3.2.4 半径四次谐波导致的半球谐振陀螺仪谐振子频率裂解
• 3.2.5 半径四次谐波分量产生的原因及抑制的分析
• 3.3 品质因数不均匀对于陀螺仪精度的影响
• 3.3.1 参数激励方式下品质因数不均匀影响分析
• 3.3.2 开环位置激励方式时品质因数不均匀影响分析
• 3.3.3 力反馈检测模式下品质因数不均匀影响分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 半球谐振陀螺仪装配误差研究
• 4.1 引言
• 4.2 电极的对准误差对于陀螺仪精度的影响
• 4.2.1 激励电极的对准误差对于陀螺仪精度的影响
• 4.2.2 位移传感器的对准误差对于陀螺仪精度的影响
• 4.2.3 实验验证以及补偿方法
• 4.3 比力输入对于半球谐振陀螺仪精度的影响
• 4.3.1 比力输入导致谐振子偏心时驻波方位角的公式推导
• 4.3.2 实验验证以及补偿方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 半球谐振陀螺仪技术指标的测试方法
• 5.1 引言
• 5.2 输入轴失准角的测试与误差分离
• 5.2.1 陀螺失准角的定义与分解
• 5.2.2 半球谐振陀螺仪失准角的测试
• 5.3 与品质因数相关的技术指标的测试
• 5.3.1 品质因数与过渡时间以及能量损失的关系
• 5.3.2 品质因数的测试方法
• 5.4 基于三轴转台的半球谐振陀螺仪带宽测试
• 5.5 频率裂解及固有刚性轴的测试方法研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 误差模型系数测试方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 三轴转台误差对半球谐振陀螺仪标定的影响
• 6.2.1 半球谐振陀螺仪的误差模型
• 6.2.2 陀螺标定系统介绍
• 6.2.3 三轴转台的主要误差源及陀螺的安装误差
• 6.2.4 输入量的计算
• 6.2.5 陀螺误差模型的标定
• 6.2.6 实验验证
• 6.2.7 实验中的修正
• 6.3 半球谐振陀螺仪在三轴转台上的测试
• 6.3.1 与输入角速率平方项以及与比力有关项误差模型的标定
• 6.3.2 单轴速率双轴位置滚转法的测试计划
• 6.3.3 基于D最优的多位置变速率组合试验设计
• 6.4 基于Allan方差的随机误差模型辨识
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历