集成化MIMU結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)仿真研究.pdf

1、微慣性測量單元(MIMU)是可以測量六個方向慣性參數(shù)的微慣性系統(tǒng)，在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域都具有很大的發(fā)展前景。本文基于MIMU的基本理論，設(shè)計了由電容式加速度計和振動式陀螺儀構(gòu)成的集成化MIMU結(jié)構(gòu)，并結(jié)合相關(guān)測控電路對集成化MIMU系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。本文工作主要包括:
　　(1)分析了國內(nèi)外加速度計、陀螺儀、MIMU、集成化MIMU的發(fā)展近況;基于微慣性傳感器的工作原理，對電容式加速度計和振動式陀螺儀進(jìn)行了動力學(xué)分析，得到了電容

2、式加速度計和振動式陀螺儀的基本運(yùn)動方程;概述了電容式加速度計和振動式陀螺儀常用的梳齒結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)的驅(qū)動方式和檢測方式，為后續(xù)集成化MIMU的結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)仿真奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)在分析國內(nèi)外MIMU集成化方案的基礎(chǔ)上，提出可同時測量單一方向加速度和角速度的加速度計陀螺儀一體化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)選擇蟹腳梁、直梁、矩形梁作為集成化MIMU結(jié)構(gòu)的支撐梁，消除了陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的耦合影響，減少了在水平軸方向加速度計檢測模態(tài)對陀

3、螺儀檢測模態(tài)造成的干擾;針對加速度計檢測模態(tài)受陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)干擾的問題，該結(jié)構(gòu)采用等高和不等高的檢測梳齒結(jié)構(gòu)，并采用變間距式和變面積式的差分檢測方式，保證了所測得加速度準(zhǔn)確度和精確度;基于以上設(shè)計原理，確定了集成化MIMU結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)。
　　(3)為了驗證所設(shè)計的集成化MIMU結(jié)構(gòu)的合理性，本文利用有限元軟件進(jìn)行了微位移分析、重力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析。由微位移分析得到結(jié)構(gòu)對各軸加速度和角速度

4、的位移靈敏度，為測控電路的設(shè)計提供了重要參考依據(jù);由重力分析得到結(jié)構(gòu)在自由狀態(tài)下的最大應(yīng)力強(qiáng)度為449KPa，完全滿足理論應(yīng)力強(qiáng)度要求;由模態(tài)分析得到X軸、Y軸、Z軸加速度計陀螺儀結(jié)構(gòu)工作模態(tài)的固有頻率，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與系統(tǒng)仿真提供了重要理論數(shù)據(jù);由諧響應(yīng)分析得到各框架的幅頻響應(yīng)曲線，進(jìn)而計算出集成化MIMU結(jié)構(gòu)各方向之間的交叉耦合關(guān)系，為提高集成化MIMU系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確度奠定了基礎(chǔ);由瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析可知，該結(jié)構(gòu)可承受100g的瞬態(tài)沖擊

5、載荷。
　　(4)基于對電容式加速度計和振動式陀螺儀常用測控電路的分析，設(shè)計了適用于集成化MIMU結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)中鎖相環(huán)模塊、AGC模塊、載波模塊、調(diào)制模塊、解調(diào)模塊的工作原理;通過對Y軸振動式陀螺儀驅(qū)動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和Y軸加速度計檢測系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink建模和仿真，得出集成化MIMU系統(tǒng)測量角速度和加速度的標(biāo)度因數(shù)分別為8.552mV/°/s和65mV/g，仿真結(jié)果表明，集成化MIMU系統(tǒng)具有一定的可行性，同