多自由度微陀螺带宽及灵敏度优化设计方法研究

发布时间：2020-11-13 00:33

　　 微机械陀螺仪由于体积小、重量轻、动态性能好、能耗少、成本低、可靠性高、易于数字化、智能化和集成化等优点,在微机电系统中有着不可替代的作用,已经被广泛地应用于各个领域,如汽车工业、安全防护、动态车辆控制,汽车安全系统,高性能导航与制导系统和交互式消费电子产品等。众多的研究人员也把追求更高精度以及响应更加稳定的微陀螺作为今后研究的重点。传统的单自由度微陀螺的精度和稳定性已经不能满足现在社会各方面的需求,在单向解耦以及双重解耦的模型出现之后,共振频率需要严格匹配以及正交误差等缺陷虽然已经有所缓解,但未从真正意义上提升微机械陀螺仪的精度和稳健性,增加微陀螺的自由度数可以提升微陀螺的稳定性,但因为过多的弹性梁和振子质量块等导致结构参数的选取变得困难。为了将这众多的结构参数进行最佳匹配,在获得理想带宽的前提下获得高稳定性、高灵敏度的微陀螺,本文以双检测多自由度微陀螺为研究对象对多自由度微陀螺的优化设计方法进行了研究。提出了一种特征提取与正交实验法相结合的优化设计方案。首先对微陀螺检测方向振动系统振子质量比、结构频率比以及阻尼比对微陀螺灵敏度及带宽的影响进行定性分析,在定性分析的基础上对其影响特征进行动力学特征提取,得到设计参数的变化对微陀螺系统性能的影响规律,然后在此基础上应用正交实验法对所选的特征参数进行多因素多水平分析以优化微陀螺的灵敏度和带宽,优化后微陀螺的灵敏度相对于二次序列规划算法仅有微小提升,但带宽确增加了1590Hz。优化结果表明将基于特征分析的正交实验法用于微陀螺的灵敏度和带宽的优化设计可显著提升微陀螺的工作带宽。为了更好地解决微陀螺多目标优化问题,同时也为解决正交试验法因权重系数人为选取导致优化结果难以确定的局限性,采取动力学特征提取、响应面分析法和遗传算法相结合的方法对多自由度微陀螺的灵敏度和带宽进行了优化设计。首先用中心复合试验设计选取20个试验点,然后通过动力学特征提取控制试验点的范围,根据试验结果拟合二阶多项式来近似表达目标函数;在响应面二阶多项式模型的基础上,基于遗传算法来解决多目标的优化问题,经过遗传算法一系列的优化过程,结果显示该优化方法获得的灵敏度和带宽与二次序列规划算法相比分别提升了19dB和2174Hz。本文提出的改进的优化算法可以为多自由度微陀螺灵敏度及带宽的优化设计提供一定的理论基础,同时所提出的基于特征提取确定约束条件的方法也为今后微陀螺优化设计方法中约束条件的确定提供了理论指导。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH712;TP212
【部分图文】：

我国MEMS微陀螺的设计水平和制造水平的提升起到关键作用。1.2 微陀螺研究现状1.2.1 国外研究现状MEMS 的早期发展，主要是国外的一些著名的微陀螺仪研究机构作为推动力，例如德雷珀实验室、美国加州大学伯克利分校、佐治亚理工学院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀实验室的研究人员便开始研究微机械陀螺仪[15]，研究的第一个微陀螺如下图 1-1 所示。由于技术的限制以及加工工艺的不先进，使得第一代微机械陀螺仪输出结构有一些缺陷，输出端很难响应到信号，输出效率较低。在 1991 年 Draper 实验室推出了他们第一个机械加工工艺，该一个由扭转弯曲悬挂的双万向节单晶硅结构，60Hz 带宽下的分辨率为 4°/h。在 1993 年，德雷珀实验室报告了他们下一代的硅玻璃音叉陀螺仪，旨在最大限度地减少杂散电容的玻璃衬底，检测质量块用梳齿驱动器相位静电驱动，并检测出面外摆动模式下的检测反射率。如图 1-2 所示。

我国MEMS微陀螺的设计水平和制造水平的提升起到关键作用。1.2 微陀螺研究现状1.2.1 国外研究现状MEMS 的早期发展，主要是国外的一些著名的微陀螺仪研究机构作为推动力，例如德雷珀实验室、美国加州大学伯克利分校、佐治亚理工学院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀实验室的研究人员便开始研究微机械陀螺仪[15]，研究的第一个微陀螺如下图 1-1 所示。由于技术的限制以及加工工艺的不先进，使得第一代微机械陀螺仪输出结构有一些缺陷，输出端很难响应到信号，输出效率较低。在 1991 年 Draper 实验室推出了他们第一个机械加工工艺，该一个由扭转弯曲悬挂的双万向节单晶硅结构，60Hz 带宽下的分辨率为 4°/h。在 1993 年，德雷珀实验室报告了他们下一代的硅玻璃音叉陀螺仪，旨在最大限度地减少杂散电容的玻璃衬底，检测质量块用梳齿驱动器相位静电驱动，并检测出面外摆动模式下的检测反射率。如图 1-2 所示。

在驱动模态中添加了多个振荡器，并采用圆形配置，如图1-3 所示。为了获得更大的带宽，在另一篇报告中[20]提出了由两个独立的检测质量块组成的四自由度振动陀螺仪，但这种结构的微陀螺检测模态和驱动模态会发生机械耦合，导致系统产生了正交误差，如图 1-4 所示。随后 C.Acar 提出了一个包含解耦框架的三质量块的 4-DOF 模型来解决机械耦合的问题。如图 1-5 所示，但这个设计也存在着一些缺陷，第一个缺点是这种结构在驱动方向的质量块需要很大，第二个缺点是采用这种结构的微陀螺驱动方式的控制技术不可取。第一个问题可以通过增加驱动模态的振幅来解决，同时也增加了系统的灵敏度增益[21]。第二个问题采用自由增益控制（AGC）回路控制器设计的双自由度检测模态的三自由度微陀螺来解决[22]。此设计的优点是它为系统的参数变化提供了固有的稳定性，同时也提供了更加理想的灵敏度增益。在以后的研究中，K. Sahin[22]等人提
【参考文献】

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本文编号：2881462