大量程圆锥壳型谐振陀螺关键技术研究

发布时间：2020-06-05 05:48

【摘要】：随着惯性技术的应用领域不断拓宽,一些新的应用领域,如隧道挖掘、页岩油钻探、炮弹精确制导等,需要一种制作工艺门槛低,能够在高过载、高动态环境下工作的陀螺仪。本论文为满足这些需求,在深入研究陀螺机理之后,对已有的小量程锥形谐振陀螺进行大量程改进,并研究了改进后陀螺的频率裂解抑制、振动控制与信息处理问题,主要工作和创新内容包括:(1)提出一种带隔离孔的圆锥壳结构振子,建立了该型振子的振动模型;提出振子换能效率的概念,利用有限元法分析了振子的换能效率、品质因数、工作模态的自振频率与振子结构参数、材料属性、压电电极参数之间的关系;以此为依据,按照大量程陀螺对振子力学特性的需求,提出降低振子的品质因数以增大陀螺量程,并通过对振子参数优化提高了振子的换能效率,以弥补由振子品质因数降低带来的陀螺性能损失;分析了参数优化后的圆锥壳振子在不同轴向上的抗过载性能,得出了振子轴向抗过载能力强,侧向抗过载能力弱的结论。(2)分析了带隔离孔的圆锥壳振子的频率裂解问题;在难以求得带隔离孔振子振型函数解析解的情况下,利用轴对称壳体的对称性特点,建立了一种基于等效缺陷质点的振子缺陷模型,基于该模型提出了在振子上添加修形质点抑制其频率裂解的方法,得出了修形质点的数量、添加位置和质量大小;通过有限元仿真讨论了等效缺陷质点模型假设中忽略掉的模态形状变化对频率裂解抑制方法效果的影响,提出在频率裂解修形前加入振型修形,以进一步提高频率裂解抑制效果;分析过程中没有对振子的振型函数做限制,所以得出的频率裂解抑制方法适用于所有轴对称壳振子。(3)设计了大量程圆锥壳型谐振陀螺的信号检测处理系统;提出一种基于信号相关性分析的敏感轴信号分离方法,将敏感轴的输出信号映射为二维平面空间中的向量,利用向量的平行四边形法则将信号分解为与输入角速率有关的陀螺信号和与输入角速率无关的干扰信号;分析了振子的参数变化、残余频率裂解对敏感轴信号分量的影响,总结得出频率裂解引起的振型偏移角与敏感轴信号分量的相互影响关系,完成了大量程陀螺信号的提取,提高了陀螺信号与输入角速率的线性相关性。基于以上研究成果,完成了大量程圆锥壳型谐振陀螺原理样机制作;经测试,该样机的量程为±3600o/s、标度因数非线性度为0.5%、零位稳定性为14.93o/h、角度随机游走为2.38o/h~(1/2)、分辨率为0.3o/s、抗过载能力12500g。
【图文】：

激光陀螺光纤陀螺半球谐振陀螺圆杯谐振陀螺MEMS 谐振陀螺10-4 /h10-2 /h10-4 /h10-1 /h10-1 /h高中高低高高中高低低500g500g1000g>1000g>1000g较大较大较小非常大非常大表 1.1 列举了前文所述几类陀螺的性能特点[1, 3, 15, 27-30]。由于机械转子陀螺主平台的稳定，所以陀螺的主要考察指标就是陀螺的精度水平，对于陀螺的动没有要求。光学陀螺拥有不错的精度和量程，，并具备一定的抗过载能力，但作工艺要求非常高。表中谐振陀螺仪的抗过载能力整体优于其他类型陀螺，杯谐振陀螺。同时该陀螺还具备部件数目少，结构简单，工艺要求低的特点年来，随着信息技术、纳米技术、生物技术、光学技术、材料技术的发展，理、新结构的陀螺仪层出不穷，对惯性技术的发展起到了有力的促进作用，有潜力的几类陀螺，如光子晶体陀螺、微光机电陀螺和原子陀螺，其技术水不成熟，所以目前都处于试制阶段[1, 32]。

（a）发射平台 （b）制导炮弹 （c）精确打击图 1.2 国防领域惯性测量的新需求在国防领域，素有战争之神的传统火炮，也需要在现代军事装备发展日新月异的情况下抓紧实现自身的智能化、信息化。其中常规炮弹的精确制导化是火炮这种传统远程压制武器适应现代化战争发展的必然趋势[37-39]。相对导弹这种精确制导武器来说，制导炮弹的发射平台简单，成本低廉，且同样拥有较高的命中精度。要实现炮弹的全程导航制导，就必须研发可以在炮弹上工作的惯导组件。现代火炮发射时炮弹的出膛速度超过 700m/s，发射过载不低于 10000g，炮弹通过减旋弹带减旋后也会保持10 r/s 的转速[40]，这要求的所有零件和传感器都能经受得住炮弹发射时的巨大冲击，并在高速高旋转的恶劣环境下实现炮弹的运动测量，为制导控制组件提供有效的运动测量信息，实现精确打击。分析上述需求，陀螺的抗过载能力要达到 12000g，量程要达到 3600 /s，精度要达到 20 /h。在陀螺的研制与生产中，制作工艺水平会直接影响陀螺性能的发挥。而
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH824.3

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘智勇;范松涛;何英姿;;斜装异型陀螺系统信息融合方法研究[J];航天控制;2017年05期

2 张振兴;王红;;带电重陀螺系统的稳定性分析[J];南开大学学报(自然科学版);2011年06期

3 许克峰，黄克累，陆启韶;陀螺系统的整体结构[J];北京航空航天大学学报;1994年03期

4 张光枢;非线性陀螺系统的稳定准则[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1987年12期

5 罗超;张晓红;;陀螺系统的解耦分析[J];自动化技术与应用;1987年03期

6 成楚之;陀螺零位漂移对战术导弹控制精度的影响和它的确定方法[J];战术导弹技术;1988年04期

7 David L.Krueqer;文有桂;;三叉戟Ⅱ导弹Mark6陀螺的状态空间分析[J];国外导弹与航天运载器;1988年08期

8 黄克累;关于陀螺系统动力学[J];力学情报;1974年02期

9 邱荣凯;马咏梅;;陀螺系统橡胶减振器动态特性分析[J];机械工程师;2015年07期

10 曾亮;李琳;;阻尼陀螺系统动力响应的有限元复模态分析方法[J];航空动力学报;2008年10期

相关会议论文 前3条

1 杨晓东;;陀螺系统模态分析及其非线性动力学研究进展[A];第十届全国动力学与控制青年学者学术研讨会摘要集[C];2016年

2 张利娟;李欣业;张华彪;;陀螺系统的受迫振动及其时滞反馈控制[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年

3 梁雪岩;陈东方;;四象限激光探测器在动力陀螺中的应用研究[A];2017年光学技术研讨会暨交叉学科论坛论文集[C];2017年

相关博士学位论文 前9条

1 蔺震;大量程圆锥壳型谐振陀螺关键技术研究[D];北京理工大学;2017年

2 隋永枫;转子动力学的求解辛体系及其数值计算方法[D];大连理工大学;2006年

3 李新刚;微机电陀螺误差建模及其在飞行器组合导航中的应用[D];西北工业大学;2004年

4 黄卫权;舰船用平台式惯导系统测控技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

5 张海娟;广义阻尼陀螺连续系统复模态分析[D];上海大学;2016年

6 仲红秀;几类非线性问题的迭代解法及其应用[D];华东师范大学;2016年

7 毛晓彬;结构动力学中的谱修正问题[D];南京航空航天大学;2011年

8 马威;栅结构微机械陀螺的高精度高稳定性研究[D];浙江大学;2017年

9 贾志刚;非线性矩阵问题的若干结果[D];华东师范大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 王威;MEMS陀螺电磁驱动稳幅控制关键技术研究[D];中北大学;2019年

2 于得川;嵌套环式MEMS振动陀螺的频率修调技术研究[D];国防科学技术大学;2016年

3 张晓峰;参数激励法提高MEMS环式陀螺性能的研究[D];苏州大学;2018年

4 赵银武;数字陀螺系统中锁相电路的设计[D];哈尔滨工业大学;2016年

5 许晓东;用于数字陀螺系统中驱动环路电路设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2016年

6 张晨;MEMS陀螺系统的软件仿真[D];浙江大学;2006年

7 胡永菲;一种用于数字陀螺系统中LDO设计[D];哈尔滨工业大学;2016年

8 徐为;基于势函数的耗散动力系统的稳定性研究及其应用[D];上海交通大学;2011年

9 周洁;周期受击陀螺系统量子混沌波函数的分形研究[D];南京师范大学;2015年

10 汪亮亮;陀螺系统中高精度∑-ΔAADC的数字滤波器设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2016年

本文编号：2697607