牵连运动下旋转载体驱动微机械陀螺姿态敏感及其应用的研究

The MEMS gyroscope, which is driven by rotating carrier, is a new type of micromechanical gyroscope. It itself has no drive structure. It is installed on the rotating carrier using carrier spin as driving. When the carrier is subject to pitch or yaw rotation, it can sense the input angular velocity. The MEMS gyroscope is suitable for attitude sensing and control of rotating carrier. On flight testing, it is found that the gyro output signal is a complex AM signal under motion of transportation, and it cannot be directly used for attitude control.. This project intends to carry out theoretical research and applied research in order to solving the key technical problems of the MEMS gyro's attitude sensing and control under motion of transportation. Research contents include: (1) Sensitive mechanism will be studied for the MEMS gyro working under motion of transportation, and mathematics model of gyro's sensitive signal will be established. Then simulation validation will be carried out using precision three axis rate table. (2) Based on the mathematics model, the algorithms of dynamic attitude calculation will be designed, and the angular velocity of rolling, pitch and yaw will be obtained. (3) According to the algorithms, the software and DSP circuit will be designed to fulfill high technology specifics.. The results of the study can be widely used in attitude stabilization and control of all kinds of rotating aircraft. So the project has the very good scientific value and application prospect.

旋转载体驱动MEMS陀螺是一种新型微机械陀螺，其本身没有驱动结构。它安装于旋转载体上，利用载体的自旋作为驱动。当载体发生俯仰或偏航转动时，敏感该角速度输入，适用于旋转载体的姿态敏感控制。飞行测试中发现，在俯仰和偏航同时转动时的牵连运动环境下，陀螺输出信号是一个复杂的调幅波信号，无法直接用于姿态敏感控制。. 本项目拟开展理论研究和应用基础研究，解决该MEMS陀螺在牵连运动下姿态敏感控制的关键技术问题。研究内容包括：1、MEMS陀螺在牵连运动环境下敏感机理研究，建立陀螺敏感信号的数学模型，并利用三轴转台进行模拟验证。2、基于数学模型，设计动态姿态解算算法，解算出旋转载体的滚转、俯仰和偏航角速度。3、根据算法进行软件设计和数字信号处理电路设计，完成原理样机，测试达到较高技术指标。. 该研究成果可广泛用于旋转飞行器姿态稳定和姿态控制，具有理论研究价值和应用前景。

旋转飞行器在飞行过程中，绕其纵轴旋转的同时，还伴随有俯仰和偏航牵连运动。敏感和测量飞行载体的横向俯仰和偏航角速度，对惯性器件是一个挑战。本项目在此牵连运动情况下，以旋转载体驱动硅微机械陀螺的敏感机理及姿态解算为目标，进行了基础研究和应用基础研究，其中重点完成了以下研究内容。. 1、牵连运动下旋转载体驱动硅微机械陀螺敏感机理的刻画。基于陀螺的结构原理，研究发现该MEMS陀螺安装于旋转载体上，利用载体的自旋获得角动量。当载体发生牵连运动时，产生周期性科里奥利力，使陀螺敏感质量块振动，实现横向输入角速度的敏感。敏感信号的包络与牵连横向输入角速度成比例，频率自动调谐载体的自旋频率。. 2、牵连运动下陀螺的动力学方程及其输出信号的数学模型。根据陀螺敏感机理，利用欧拉动力学方程和坐标变换，获得了动力学方程。基于动力学方程的稳态解，结合敏感机理和牵连运动形式，我们得到了牵连运动下陀螺输出信号的数学表达式并在高精度三轴转台上得到了验证，标准差为0.9717。. 3、牵连运动下陀螺的姿态解算。基于陀螺输出信号的数学模型和希尔伯特变换，解算出了牵连运动情形下的横向输入角速度。利用加速度计基准得到了相位差，通过正交分解求解出了偏航角速度和俯仰角速度，并进行了实验测试，解算精度分别为0.3%和0.4%。. 4、牵连运动下陀螺应用能力的优化。在分析标度因数误差的基础上，通过标定的方法，进行了标度因数的补偿，标度因数最大绝对误差为0.4418mV/(°/s)。通过刻蚀陀螺敏感质量块的梁的厚度，提高陀螺的灵敏度，动态测量范围可达50Hz和500°/s。将陀螺旋转90°安装，能有效克服舵偏打对陀螺输出信号的影响。. 通过本项目的研究，为旋转载体驱动MEMS陀螺的实际应用提供理论支撑和有价值的技术参考。