钟形振子式角速率陀螺基础理论与关键技术研究

陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制系统的核心部件。本申请针对高动态环境下中低精度角速率测量的迫切需求，受中国传统大钟启发，创造性地提出了一种能够有效抑制纵向驻波、提高基波/谐波比、结构简单的"钟形"振子；以钟形振子作为敏感元件，研究钟形振子式角速率陀螺。主要研究内容包括：建立具有变厚度轴对称多曲面融合特征的钟形振子的数学模型，研究钟形振子在哥氏力作用下的力学特性；研究分析钟形振子的振动模态，优化钟形振子结构，设计出具有抗高过载、高动态特性和高品质因子的钟形振子；研究有效控制钟形振子振型的方法，以提高钟形振子的灵敏度和稳定性；基于微弱信号测量原理，提出一种采用电容拾取钟形振子微小形变位移的方法。在此基础上，研制钟形振子式角速率陀螺原理验证样机。本申请的研究成果对解决当前中低精度角速率测量对陀螺的高过载、高动态性能和大批量生产的迫切需求具有重要的意义。

陀螺是实现角速率测量的核心关键部件。在隧道挖掘、矿山开采、地下管线铺设及常规炮弹制导等领域，载体（钻头或弹丸）运动过程中存在高过载、高速、高旋等恶劣环境条件，现有各类陀螺无法满足10000g以上高过载角速率直接测量需求，迫切需要抗高过载、大量程、结构简单的新一代陀螺。本项目发明了钟形振子式角速率陀螺，突破了轴对称多曲面融合结构钟形振子数学建模、高过载振动特性、频率裂解抑制、微弱信号检测等关键技术，研制成功了钟形振子式角速率陀螺样机。本项目自获得资助以来，共获授权发明专利15项，受理发明专利6项（1项美国专利），软件著作权10项；发表论文21篇，培养硕士和博士研究生15名。本项目完成教育部成果鉴定、国防成果鉴定各1项，成功申报了2014年北京市科学技术奖1项。以本项目成果为基础，相关研究项目已获国防项目资助，继续开展深入研究。