集成化MIMU结构设计与系统仿真研究

发布时间：2020-04-07 01:44

【摘要】：微惯性测量单元(MMU)是可以测量六个方向惯性参数的微惯性系统,在民用领域和军用领域都具有很大的发展前景。本文基于MIMU的基本理论,设计了由电容式加速度计和振动式陀螺仪构成的集成化MIMU结构,并结合相关测控电路对集成化MIMU系统进行了仿真分析。本文工作主要包括:(1)分析了国内外加速度计、陀螺仪、MIMU、集成化MIMU的发展近况;基于微惯性传感器的工作原理,对电容式加速度计和振动式陀螺仪进行了动力学分析,得到了电容式加速度计和振动式陀螺仪的基本运动方程;概述了电容式加速度计和振动式陀螺仪常用的梳齿结构形式及相关的驱动方式和检测方式,为后续集成化MIMU的结构设计与系统仿真奠定了基础。(2)在分析国内外MIMU集成化方案的基础上,提出可同时测量单一方向加速度和角速度的加速度计陀螺仪一体化结构。该结构选择蟹脚梁、直梁、矩形梁作为集成化MIMU结构的支撑梁,消除了陀螺仪驱动模态和检测模态之间的耦合影响,减少了在水平轴方向加速度计检测模态对陀螺仪检测模态造成的干扰;针对加速度计检测模态受陀螺仪驱动模态和检测模态干扰的问题,该结构采用等高和不等高的检测梳齿结构,并采用变间距式和变面积式的差分检测方式,保证了所测得加速度准确度和精确度;基于以上设计原理,确定了集成化MIMU结构的主要尺寸参数。(3)为了验证所设计的集成化MIMU结构的合理性,本文利用有限元软件进行了微位移分析、重力分析、模态分析、谐响应分析及瞬态冲击响应分析。由微位移分析得到结构对各轴加速度和角速度的位移灵敏度,为测控电路的设计提供了重要参考依据;由重力分析得到结构在自由状态下的最大应力强度为449KPa,完全满足理论应力强度要求;由模态分析得到X轴、Y轴、Z轴加速度计陀螺仪结构工作模态的固有频率,为结构优化设计与系统仿真提供了重要理论数据;由谐响应分析得到各框架的幅频响应曲线,进而计算出集成化MIMU结构各方向之间的交叉耦合关系,为提高集成化MIMU系统检测准确度奠定了基础;由瞬态冲击响应分析可知,该结构可承受100g的瞬态冲击载荷。(4)基于对电容式加速度计和振动式陀螺仪常用测控电路的分析,设计了适用于集成化MIMU结构的测控系统,并分析了系统中锁相环模块、AGC模块、载波模块、调制模块、解调模块的工作原理;通过对Y轴振动式陀螺仪驱动系统、检测系统和Y轴加速度计检测系统进行了 Simulink建模和仿真,得出集成化MIMU系统测量角速度和加速度的标度因数分别为8.552mV/°/s和65mV/g,仿真结果表明,集成化MIMU系统具有一定的可行性,同时陀螺仪驱动系统具有一定的鲁棒性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH824.4;TN96

【参考文献】