基于固液层载体角运动姿态测量机理研究

In order to solve technical problem for fast and accurate angular acceleration measurement, the theory of a new kind of angular accelerometer is studied based on the solid-fluid layer principle. Considering the micro pore platform of the angular accelerometer, we improve the Stern model of solid-fluid layer and find the relationship between angular acceleration input and voltage output. Then, on the basis of temperature characteristic of this new angular accelerometer, model of the angular accelerometer is obtained. To solve parameter correction problem and realize the calibration of model parameters, we propose calibration method of one-axis system, three-axis system and unmeasured variables. Next, as for error compensation, we research on the effect of gravitational field and electromagnetic field on the solid-fluid layer. And we design gravitational field and electromagnetic field measurement and compensation method to improve the measurement accuracy. So as to reduce the noise in fluid and circuit, we use extended Kalman filter in signal processing based on the stochastic error model. Finally, experiments are conducted to prove that the methods and theory in this project are correct and feasible.

本项目针对运动载体角加速度快速准确测量中遇到的技术难题，重点开展基于固液层模型的新型角加速度计测量机理研究。针对该类型角加速度计的微隙固液空间特性，基于改进的固液层Stern模型，研究角加速度输入信号与电势差输出信号的转化关系，刻画角加速度计温度特性，构建固液层角加速度计理论模型；针对模型参数修正问题，提出角加速度计的单轴测量系统、三轴测量系统和非直接测量量标定方法，实现角加速度计模型参数准确标定；针对角加速度计的环境误差补偿问题，重点研究引力场和电磁场对双电层电荷分布的作用机理，设计引力场、电磁场测量-补偿和静电屏蔽方法，减小测量误差，提高测量精度；针对固液层角加速度计的噪声抑制问题，建立随机漂移误差模型，设计基于扩展卡尔曼滤波的液相质量体与电路噪声滤波方法。基于以上研究成果，完成新型固液层角加速度测量的原理验证。

本项目基于界面双电层效应和流动力学原理，研究基于液体质量的新型角加速度测量机理，研制一种新型的基于多孔介质的液环式角加速度计，打破欧美国家在该项领域的技术垄断。课题组围绕该种角加速度测量的理论模型及优化设计方法、模型参数标定方法以及误差分析、补偿及滤波这三个核心问题进行研究，旨在揭示该种液环式角加速度计的工作机理，提出传感器及其核心部件的质量评价及优化设计方法，研制高性能原理样机。.针对该种角加速度计的理论建模和优化设计问题，利用流体力学原理描述了环形腔体内部的动态流体，建立了瞬变流模型；研究固相转换器，建立其渗透率模型；基于毛管束模型分析压电效应单元的稳态特性，并自研动态测试仪研究其动态响应特性；利用数值重构方法对固相转换器的微观结构进行研究；通过多自由度模型等效瞬变流模型，得到惯性运动单元的状态空间模型，进而得到整机模型；研制了液环式角加速度计的原理样机，对建立的模型进行验证。在以上各项建模工作中，利用理论分析或实验测量的手段定量分析了重要参数对传感器性能的影响，并给出了详细的优化设计方法。.针对该种角加速度计模型参数标定方法的研究，设计了一种基于子空间方法和赤池信息准则的系统辨识算法，对原理样机的模型进行参数标定。通过输入输出数据组成Hankel矩阵，经过斜投影变换和奇异值分解得到角加速度计状态空间模型。.针对角加速度计误差分析、补偿和滤波算法的研究，利用自研的原理样机进行噪声特性测量，利用Allan方差方法和功率谱密度分析其噪声特性；分别设计的Kalman滤波算法和自适应小波去噪算法对角加速度计信号进行处理，提高整机工作性能；此外还研究了角加速度计的温度补偿技术和电磁屏蔽方案。.通过本项目的研究，课题组建立了该种角加速度测量的理论体系，给出了具体的角加速度计优化设计方法和信号处理方法，研制了高性能的原理样机，达到了预定的研究目的，在学术论文、发明专利及人才培养方面均取得了丰硕的成果。