半球諧振陀螺儀誤差機(jī)理分析與誤差抑制方法研究.pdf

1、半球諧振陀螺儀(HemisphericalResonatorGyroscope,HRG)具有的長壽命、高精度、高穩(wěn)定性、低噪聲、低功耗、抗輻射等優(yōu)點,使其在長壽命慣性導(dǎo)航中具有很大的應(yīng)用前景。因此,對HRG進(jìn)行誤差機(jī)理分析及在現(xiàn)有技術(shù)條件下尋找進(jìn)一步提高HRG精度的方法具有重要的意義。本文以半球諧振子的誤差源為研究對象,建立了具有誤差缺陷諧振子的動力學(xué)方程,據(jù)此深入研究了諧振子頻率裂解與密度不均勻誤差之間的關(guān)系。然后從以下三個方面重點研

2、究了HRG誤差抑制方法:控制諧振子不同的振動位移分量,調(diào)節(jié)激勵電極相對于諧振子的位置,平衡諧振子參數(shù)的不均勻誤差。此外還深入研究了陀螺儀角速率解算方法及解算誤差補(bǔ)償方法等,為提高HRG的使用精度提供了理論指導(dǎo)。本文的具體工作如下:
　　建立了半球諧振子的動力學(xué)方程。首先推導(dǎo)出諧振子薄殼上任一點的慣性力表達(dá)式,然后通過選取諧振子中曲面微元并分析其受力狀態(tài),建立了諧振子薄殼單元的力平衡方程。在此基礎(chǔ)上,利用布勃諾夫-加廖爾金法建立了諧

3、振子振動的動力學(xué)方程,并推導(dǎo)得出了諧振子振動振型精確的進(jìn)動因子,為研究HRG誤差機(jī)理及誤差抑制方法奠定了基礎(chǔ)。
　　諧振子頻率裂解及HRG開環(huán)模式的誤差分析。首先建立了環(huán)向密度分布不均勻諧振子的動力學(xué)方程,據(jù)此推導(dǎo)出諧振子固有頻率極大值與極小值的表達(dá)式,進(jìn)而得到了諧振子固有頻率裂解與環(huán)向密度不均勻誤差之間的關(guān)系。其次在開環(huán)位置激勵模式下,推導(dǎo)波腹方位角的穩(wěn)態(tài)解和角速率解算表達(dá)式,通過仿真得到開環(huán)控制模式下為保證HRG角速率解算精度

4、的密度不均勻第四次諧波的允差。
　　研究了HRG力反饋控制模式下,通過不同控制模式控制諧振子不同的振動位移分量來抑制密度不均勻誤差的方法,并給出了HRG角速率解算方法。首先推導(dǎo)了普通控制模式下角速率解算表達(dá)式,并通過仿真分析了密度不均勻第四次諧波對角速率解算精度的影響。其次推導(dǎo)了正交控制模式下角速率解算表達(dá)式。針對開環(huán)控制、普通控制及正交控制各自存在的問題,提出了擬正交控制模式,并推導(dǎo)了擬正交控制模式下角速率解算表達(dá)式。通過仿真分

5、析,得出了擬正交控制模式在誤差抑制方面的優(yōu)勢,并分析了其在工程中的可實行性。此外還詳細(xì)推導(dǎo)了擬正交控制模式下波腹方位角表達(dá)式和振幅控制的穩(wěn)態(tài)模型。
　　研究了HRG精度提高方法及密度不均勻誤差的平衡。首先根據(jù)固有剛性軸的特性得到了在諧振子密度不均勻誤差下固有剛性軸的方位。然后在陀螺儀開環(huán)控制模式及擬正交控制模式下,通過調(diào)節(jié)激勵電極與固有剛性軸的夾角,得到了提高陀螺儀精度的方法,并通過仿真驗證其有效性。為了消除密度不均勻誤差,提高H

6、RG精度,建立了含有諧振子密度不均勻1~4次諧波成分的動力學(xué)方程,根據(jù)動力學(xué)方程建立了辨識密度不均勻各次諧波的模型,進(jìn)而依據(jù)辨識模型詳細(xì)論述辨識密度不均勻各次諧波幅值及相位的方法。在對密度不均勻各次諧波的幅值及相位辨識后,詳細(xì)論述并推導(dǎo)了通過在諧振子上去除質(zhì)量點以平衡諧振子密度不均勻誤差的方法。
　　HRG誤差模型的建立與誤差分析。首先建立了含諧振子固有參數(shù)不均勻、尺寸參數(shù)不均勻及激勵參數(shù)誤差的動力學(xué)方程,據(jù)此得到辨識各誤差的方法