CN102042830A - 一种硅微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种硅微机械陀螺仪，包括无驱动结构硅微机械陀螺，与无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。此外，还可以包括滑环；无驱动结构硅微机械陀螺连接到滑环；驱动电机和滑环通过连接件连接。本公开在无驱动结构陀螺上，通过加载电机驱动提供自旋角速度，产生陀螺效应，来敏感非旋转载体和旋转载体的各种姿态信息。通过选用微型扁平电机、微型滑环及角接触球轴承和弹性膜片联轴器等连接件与陀螺轴向连接，同时采取有效措施提高信噪比，降低了电机驱动带来的振动噪声对提取有效信号的影响。

Description

一种硅微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术，尤其涉及一种硅微机械陀螺仪。

背景技术

硅微机械陀螺仪根据有无驱动结构可以分为两种类型：有驱动结构的硅微机械陀螺仪和无驱动结构的硅微机械陀螺仪。有驱动结构的硅微机械陀螺仪适用于非旋转载体；而无驱动结构的硅微机械陀螺仪利用旋转载体驱动，适用于旋转载体。目前大多数硅微机械陀螺仪都属于有驱动结构的陀螺仪。

有驱动结构的微机械陀螺，由自身驱动产生线性振动，线振动与载体旋转运动按右手定则产生哥氏加速度，从而使敏感结构产生第二振动模式，此模式与第一振动模式相互垂直，其振动幅度与载体旋转角速度成正比。因此，有自身驱动结构的微机械陀螺能敏感来自垂直驱动轴的旋转角速度，若要检测载体三个互相垂直的轴向角速度，就需要三个此种陀螺相互垂直安装。

发明内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种硅微机械陀螺仪，既能应用于非旋转载体的姿态检测，又能用于测量旋转载体的姿态角速度。

本公开的一个方面提供一种硅微机械陀螺仪，包括：无驱动结构硅微机械陀螺；与无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。

根据本公开的一个方面，硅微机械陀螺仪还包括滑环；无驱动结构硅微机械陀螺连接滑环；驱动电机和滑环通过连接件连接。

根据本公开的一个方面，通过法兰安装盘将无驱动结构硅微机械陀螺固定到滑环上。

根据本公开的一个方面，连接件为弹性连接件。

根据本公开的一个方面，连接件包括角接触球轴承和弹性膜片联轴器。

根据本公开的一个方面，还包括通过所述滑环的输出端接收所述无驱动结构硅微机械陀螺输出信号的信号处理电路。

根据本公开的一个方面，还包括用于封闭无驱动结构硅微机械陀螺、滑环和驱动电机的外壳。

本公开提供的硅微机械陀螺仪，通过驱动电机提供自旋角速度，既可以应用于非旋转载体的姿态检测，也能用于旋转载体的姿态检测，通过对该陀螺信号解调处理，可以同时获得旋转载体三个轴向的角速度信息。

附图说明

图1示出本发明的硅微机械陀螺仪的一个实施例的结构图；

图2a示出双列角接触球轴承示例；

图2b示出弹性膜片联轴器示例；

图3示出多通道高速滑环示例；

图4示出无驱动结构硅微机械陀螺的结构原理图；

图5示出无驱动结构硅微机械陀螺信号检测电路原理图；

图6示出本发明的硅微机械陀螺仪实际输出信号的例子；

图7示出本发明的硅微机械陀螺仪实际输出信号各成份：自旋的载波信号，以及偏航、俯仰合成的包络信号。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

无驱动结构的硅微机械陀螺是一种基于哥氏力效应的新型角速度陀螺，它自身没有驱动结构，而是利用旋转载体的旋转作为驱动力矩，来敏感旋转载体的俯仰、偏航和自旋角速度。

无驱动结构的硅微机械陀螺只有在载体自旋和偏航(或俯仰)运动都存在的情况下才有信号输出，无驱动结构的硅微机械陀螺不适合用于非旋转载体。此外，当载体自旋速度较低时，无驱动结构硅微机械陀螺输出信号噪声较大，有效信号提取比较困难。

本发明的基本构思是，为无驱动结构硅微机械陀螺加载驱动电机，通过驱动电机为无驱动结构硅微机械陀螺提供自旋角速度，从而使其既可以应用于非旋转载体，也可以应用于旋转载体，克服了现有技术中无驱动结构的硅微机械陀螺仪只能应用于旋转载体的问题。本发明实施例的硅微机械陀螺仪可以输出俯仰、偏航、自旋角速度(按地理坐标)，或者输出横向和自旋角速度(按极坐标)，用途广、成本低，适用于姿态测量或遥测等各个领域。

图1示出本发明的硅微机械陀螺仪的一个实施例的结构图。如图1所示，该实施例的硅微机械陀螺仪包括无驱动结构硅微机械陀螺11、滑环12、驱动电机14。无驱动结构硅微机械陀螺11连接到滑环12，驱动电机14和滑环12通过连接件13进行连接。例如，可以通过安装盘16(如图1所示的法兰安装盘)将无驱动结构硅微机械陀螺11固定到滑环12上，也可以通过其他的负载安装方式将无驱动结构硅微机械陀螺11固定到滑环12上。图1中还示出外壳15，用于密封无驱动结构硅微机械陀螺、滑环和驱动电机。

上述实施例的硅微机械陀螺仪，通过驱动电机提供自旋角速度，不仅可以应用于非旋转载体的姿态检测，也可以克服无驱动结构的硅微机械陀螺在低转速情况下输出信号噪声大的问题，使得低转速载体的姿态可测、并且加大了转速测量范围。此外，还保持了无驱动结构的硅微机械陀螺仪具有的体积小，成本低，结构简单等优点。

根据本发明的一个方面，通过弹性连接件将驱动电机14和滑环12连接在一起，采用弹性连接件可以降低电机高速旋转带来的振动噪声。弹性连接件包括角接触球轴承和弹性膜片联轴器，使得驱动电机和滑环之间的连接为弹性连接，可以达到较明显的减震效果。角接触球轴承体积小，可以同时承受轴向和径向两个方向的联合载荷，减小了机械振动引起的噪声。例如采用分离型角接触球轴承或双列角接触球轴承(如图2a所示)。连接件中使用的弹性膜片联轴器(如图2b所示)，采用优良的不锈钢片做为弹性材料，靠膜片的弹性形变来补偿所联两轴的相对位移，可降低传动中的能量损失，这种弹性膜片联轴器不用润滑、传动精度高、可靠性高、寿命长、适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。需要指出，本领域的技术人员可以根据需要选用减震效果好的各种连接器件。

根据本发明的一个方面，滑环可采用微型多通道精密导电滑环。图3示出多通道高速滑环示例。例如，图中多通道精密导电滑环采用贵金属合金材料作为磨擦付，以保证良好的导电性能和抗磨损性能。

根据本发明的一个方面，驱动电机采用低电压、高转速的扁平电机。这种扁平电机，具有低电压、高转速的特性，同时带有集成编码器，可以实现闭环控制和测量转速，实现电机自旋角速度的测定和输出。

下面对本发明采用的无驱动结构硅微机械陀螺进行介绍。

图4示出无驱动结构硅微机械陀螺的结构原理图。无驱动结构硅微机械陀螺可利用旋转载体自身角速度驱动，用于敏感旋转载体俯仰或偏航角速度。如图4所示，4个电极和硅摆之间形成4个电容器，oxyz坐标系固体于陀螺的硅摆上，

是硅摆绕oy轴摆动的角速度，

是载体的自旋角速度，Ω是载体的俯仰或偏航角速度。陀螺固定于旋转载体上，当陀螺随着载体以

的角速度旋转的同时又以Ω角速度俯仰或偏航时，硅摆受到周期性变化的哥氏力(哥氏力的频率是载体旋转的频率)作用，产生沿oy轴的摆动，从而引起由硅摆和4个电极构成的4个电容器(C₁，C₂，C₃，C₄)电容量的变化。

由动力学方程可得到角振动幅度：

式中A、B、C分别为单晶硅硅摆绕x，y，z轴的转动惯量，K_T为单晶硅弹性扭转梁的刚度系数，D为气体阻尼系数，

为载体自旋角速度，Ω为载体俯仰或偏航角速度，β为输出信号的初始相位。

由公式(1)可知，单晶硅硅摆发生偏转的角振动信号频率等于载体自旋角速度

角振动幅度α与载体俯仰或偏航角速度Ω存在比例关系，输出信号的幅值α与载体的自旋角速度

有关，测量单晶硅硅摆角振动信号频率得到载体自旋角速度

通过

由角振动信号的幅值α中解算出载体俯仰或偏航角速度Ω，也可通过

控制放大电路增益，使幅值α与Ω保持线性关系，通过测量幅值α直接得到载体俯仰或偏航角速度Ω。

图5示出无驱动结构硅微机械陀螺的信号检测电路原理图。如图5所示，信号检测电路把电容变化信号转换成电压变化信号之后放大，得到和被测角速度Ω成比例的电压信号。

载体自旋驱动的无驱动结构硅微机械陀螺在技术上可实现同时检测旋转载体的自旋角速度和俯仰或偏航角速度。

根据本发明的一个实施例，硅微机械陀螺仪还包括信号处理电路，该信号处理电路通过对无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号，进行处理后，输出非旋转载体的俯仰、偏航角速度(按地理坐标)，或者输出载体的横向角速度(按极坐标)。根据本发明的一个实施例，信号处理电路还可以对无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号和驱动电机的自旋角速度进行处理后，输出旋转载体的俯仰、偏航和自旋角速度(按地理坐标)，或者输出横向和自旋角速度(按极坐标)。下面对信号处理电路的工作进行原理性说明。

式中B₁，B₂为常数值，为载体自旋与电机驱动的合成运动频率(其中适用于非旋转载体时，载体自旋频率可取值为零)，f₁，f₂为偏航、俯仰振动频率，φ₁，φ₂为与陀螺安装相关的偏航、俯仰初相位，β₁，β₂为输出信号的初始相位。

本发明实施例的硅微机械陀螺仪实际输出信号的例子可以参见图6，而图7示出本发明的硅微机械陀螺仪实际输出信号各成份：由载体自旋或电机驱动合成的载波信号，以及偏航俯仰合成的包络信号。

本发明实施例的硅微机械陀螺仪输出的信号为调幅波，输出信号成份包括：由载体自旋产生的载波信号，以及偏航、俯仰合成的包络信号。通过软件/或硬件算法进行信号处理，可以由包络信号分离出偏航、俯仰信息(对地理坐标而言)，也可以得到载波信号，从而获得滚转合成角速度(包括电机自旋转速和载体自旋转速)，电机驱动转速可由电机自身所带的编码器得到。因此该新型硅微机械陀螺仪可以获取非旋转载体的偏航、俯仰信息，或者旋转载体偏航、俯仰和自旋三个轴向角速度。

本发明实施例的硅微机械陀螺仪用于非旋转飞行载体时，可以通过对陀螺输出信号采用FFT算法得出两个谱能量较高的主频率，分别为偏航俯仰合成运动频率与电机驱动的自旋频率的叠加(矢量相加、减得到的两个值)，比较两个主频率谱能量大小可以判定偏航俯仰合成角振动的旋转方向。该值与电机驱动的自旋频率之间的差值的绝对值就是陀螺输出信号的包络(偏航或俯仰角振动合成)频率；通过运用DSP解调程序，分离出偏航、俯仰角振动频率。

本发明实施例的硅微机械陀螺仪用于旋转飞行载体时，获得载体的自旋频率与电机驱动频率叠加后得到轴向滚动合成运动频率。偏航和俯仰信息也是与轴向滚动合成运动频率有关，对陀螺输出信号采用FFT算法，得出有两个谱能量较高的主频率和两个谱能量较低的次主频率。两个谱能量较高的的主频率，分别为偏航俯仰合成角振动频率与电机驱动及载体自旋合成频率(既陀螺轴向滚动合成运动频率)的再叠加(矢量相加、减得到的两个值)，比较两个主频率谱能量大小可以判定偏航俯仰合成角振动的旋转方向；两个次主频为电机驱动的频率和载体自旋频率。参考载体旋转方向与电机自旋方向是同向(CW)还是反向(CCW)后，用轴向滚动合成频率(由加速度计或霍尔片等方法可以测得)，与电机自旋频率(编码器可以标定)进行加减运算可以得到旋转载体的自旋频率。最后经过DSP信号解调处理陀螺信号，从而获得旋转飞行载体的俯仰、偏航信号以及旋转飞行载体的自旋信号。

另外，在电机驱动硅微机械陀螺仪信号解调过程中，可以通过软硬件滤波、适当的选择电机转速等方法来提高信噪比。

需要指出，本发明的硅微机械陀螺仪的一些实施例，可以包括或不包括信号处理电路。本领域的技术人员根据本发明公开的内容，对于信号处理电路可以提供多种实现方式。

本发明的实施例在无驱动结构陀螺上，通过加载电机驱动提供自旋角速度，来敏感非旋转载体的各种姿态信息。通过选用微型扁平电机、微型滑环及角接触球轴承和弹性膜片联轴器等连接件与陀螺连接，同时采取有效措施提高信噪比，降低了电机驱动带来的振动噪声对提取有效信号的影响。

本发明的新型硅微机械陀螺仪既可用于非旋转载体，又可以用于旋转飞行载体上，输出俯仰、偏航、自旋角速度(按地理坐标)，或者输出横向和自旋角速度(按极坐标)，其用途广、成本低，适用于姿态测量或遥测等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的实施例。

Claims (10)

1.一种硅微机械陀螺仪，其特征在于，包括：

无驱动结构硅微机械陀螺；

与所述无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。

2.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括滑环；

所述无驱动结构硅微机械陀螺连接到所述滑环；

所述驱动电机和所述滑环通过连接件连接。

3.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，通过安装盘将所述无驱动结构硅微机械陀螺固定到所述滑环上。

4.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述连接件为弹性连接件。

5.根据权利要求4所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述连接件包括角接触球轴承和弹性膜片联轴器。

6.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述驱动电机为低电压、高转速电机和/或所述驱动电机为扁平电机。

7.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述滑环为微型多通道导电滑环。

8.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括：

通过所述滑环的输出端接收所述无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号的信号处理电路。

9.根据权利要求8所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述信号处理电路通过对无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号，进行处理后，输出非旋转载体的俯仰、偏航角速度，或者输出载体的横向角速度；

或者，

所述驱动电机能够输出自旋角速度，所述信号处理电路还接收所述驱动电机输出的自旋角速度，根据所述无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号和所述驱动电机输出的自旋角速度输出载体的偏航、俯仰和自旋角速度，或者输出载体的横向角速度和自旋角速度。

10.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括用于封闭所述无驱动结构硅微机械陀螺、滑环和驱动电机的外壳。

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