CN108267156B - 激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法 - Google Patents

Abstract

激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法，给出了激光惯组箱体‑减振器‑本体‑抖轮‑陀螺体系统的激光陀螺抖动多体动力学模型及关键参数识别方法，从而给出系统陀螺抖动性能计算方法，该方法能够根据激光惯组的结构、减振设计方案计算预计陀螺抖动性能，能够根据计算分析结果选取合适参数及结构布局解决激光惯组系统陀螺抖动效率差的问题。

Description

激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法

技术领域

本发明涉及激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法，属于激光陀螺及激光惯组领域。

背景技术

激光陀螺是采用激光技术和Sagnac效应相结合的高性能角度敏感元件，其工作原理和结构特点决定了它与传统的机电陀螺及其他类型的陀螺相比，具有性能稳定、工作寿命长、精度高、标度因数稳定性好、动态范围宽、启动迅速、温度特性和环境适应性好等一系列突出优点，激光惯组已广泛应用于运载火箭、导弹、卫星、飞机、船舶、车辆以及其他民用领域。

激光陀螺均存在一定的闭锁阈值，Ω_L是激光陀螺不采用任何偏频措施时可能敏感的最小转速，当输入转速|Ω|≤Ω_L时，则不能被敏感，这就是闭锁效应，Ω_L就是通常所说的锁区。为减小陀螺锁区发展了多种偏频技术，目前已实现的激光陀螺仪中，应用最为成熟和广泛的是机械抖动偏频陀螺仪，即使陀螺绕其敏感轴来回抖动以消除锁区的影响。当陀螺相对于其安装基座的抖动幅度较小时，偏频技术不能很好消除锁区的影响，陀螺精度将降低。

激光惯组的陀螺、加表安装在本体上，并通过多个减振器与箱体连接进行减振。对于某固定类型的陀螺(如90型陀螺)，即使单个陀螺抖动性能满足要求，其安装在激光惯组系统上后抖动性能容易受减振器性能、减振器数量和布局、本体质量属性、陀螺抖频的影响，实际应用中经常出现陀螺常温不起抖、低温不起抖(减振器性能变化)、抖动幅值小精度差等问题。通过样机进行测试发现问题后的改进成本太高。通过简单的提高陀螺抖动输入能量的方法来提高陀螺抖动幅值则要求更高的抖动输入功率，而可提供的抖动输入功率有限，很多时候不能解决问题；提高抖动输入功率因为陀螺抖动效率较差，无效的抖动能量会引起本体振动从而带来其他问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法，解决了激光惯组因结构方案、减振器布局及参数选取、陀螺抖频选取不合理带来的陀螺抖动效率差，从而影响系统精度甚至功能的问题。

本发明的技术方案是：激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法，步骤如下：

(1)确定激光惯组结构系统陀螺抖动模型：

其中：

t为时间；

I_gro为陀螺转动惯量，即本体上陀螺玻璃体的转动惯量；

I为本体转动惯量，即整个本体组件去掉该方向的陀螺后，剩下部分绕抖轮轴的转动惯量；

陀螺、本体之间由抖轮连接，K_gro、C₂分别为抖轮扭转刚度系数和扭转阻尼系数；

本体、箱体之间由减振器连接，K、C₁分别为减振器等效扭转刚度系数和扭转阻尼系数；

θ为本体相对于箱体的转角；

为陀螺相对于箱体的转角；

D为陀螺抖动的驱动力，与抖动驱动电压成正比；

(2)确定减振器等效扭转刚度系数K：

其中k为单个减振器的刚度，R₁、R₂…R_n为该方向投影平面内抖轮中心分别距第1、2…n个减振器的距离；

(3)确定减振器等效扭转阻尼系数C₁：

其中c为单个减振器的阻尼系数；

(4)确定抖轮扭转刚度系数K_gro：

K_gro＝4×π²×f×I_gro；

其中f为激光陀螺的固定抖频，且有

(5)确定抖轮扭转阻尼系数C₂：

C₂＝4×I_gro×π×fξ；

其中I_gro为陀螺转动惯量，ξ为相对阻尼系数，且有：

其中δ＝lnA₁/A₂，A₁、A₂为相邻峰值；

(6)根据(2)～(5)步确定的各系数，代入步骤(1)建立的模型，得到本体转角θ和陀螺转角

从而求得陀螺相对于本体之间的转动幅度，即θ与

的差值的幅度大小，完成抖动性能的确定。

本发明与现有技术相比，创新之处在于：

(1)本发明给出了激光惯组箱体-减振器-本体-抖轮-陀螺体多体动力学系统关键动力学参数识别方法及结果，能够应用于惯组各种力学分析。

(2)本发明给出了激光陀螺抖动多体动力学模，结合关键动力学参数识别结果能够确定螺抖动性能，使根据惯组结构(及减振)设计方案预计陀螺抖动性能成为可能，从而可以在设计初期进行抖动性能的优化设计，避免实际应用中经常出现陀螺常温不起抖、低温不起抖(减振器性能变化)、抖动幅值小精度差等问题。

附图说明

图1为激光惯组系统布局示意图；

图2为箱体-减振器-本体-抖轮-陀螺体多体动力学模型示意图；

图3为本体-箱体扭转刚度系数示意图；

图4为陀螺受扭转冲击后自由振荡脉冲曲线示意图；

图5为某型激光惯组系统陀螺抖动性能确定结果示例1示意图；

图6为某型激光惯组系统陀螺抖动性能确定结果示例2示意图；

具体实施方式

当二频机抖陀螺相对于其安装基座的抖动幅度较小时，偏频技术不能很好消除锁区的影响，陀螺精度将降低；设计有抖动幅值反馈控制的陀螺当抖动幅值较低时将不抖动，陀螺失去功能。激光惯组的陀螺、加表安装在本体上，并通过多个减振器与箱体连接进行减振，如图1所示。对于某固定类型的陀螺(如90型陀螺)，即使单个陀螺抖动性能满足要求，其安装在激光惯组系统上后抖动性能容易受减振器性能、减振器数量和布局、本体质量属性、陀螺抖频的影响，实际应用中经常出现陀螺常温不起抖、低温不起抖(减振器性能变化)、抖动幅值小精度差等问题。本文给出了激光惯组系统陀螺抖动模型、关键参数识别方法，从而给出其抖动性能计算方法及计算软件，能够根据设计方案预计陀螺抖动性能，并选取合适参数及结构布局解决激光惯组系统陀螺抖动效率差的问题。

本发明提出的激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法步骤如下：

(1)确定激光惯组系统陀螺抖动模型：

结构系统动力学模型如图2所示，激光惯组一般三个陀螺正交，可只考虑单个方向上的箱体-减振器-本体-抖轮-陀螺系统，其结构系统动力学模型如图2所示。

图2所示系统动力学模型相关参数：

陀螺转动惯量I_gro(陀螺转动惯量指本体上陀螺玻璃体的转动惯量)；

本体转动惯量I(本体转动惯量，指的是整个本体组件去掉该方向的陀螺后，剩下部分绕抖轮轴的转动惯量)；

陀螺、本体之间由抖轮连接，假设其扭转刚度系数与扭转阻尼系数分别为K_gro、C₂；

本体、箱体之间由减振器连接，假设其等效扭转刚度系数与扭转阻尼系数分别为K、C₁；

本体相对于箱体的转角为θ；

陀螺相对于箱体的转角为

可以列拉格朗日方程求该图2所示系统的振动微分方程。该系统由两个广义自由度，本文选取为本体相对于箱体的转角为θ和陀螺相对于箱体的转角为

拉格朗日方程的形式为

其中系统动能

系统势能

图2所示激光惯组箱体-减振器-本体-抖轮-陀螺系统由拉格朗日方程为：

(式1)中D为陀螺抖动的驱动力，与抖动驱动电压成正比。相同的陀螺抖动驱动力下，陀螺相对于本体之间的转动幅度(即θ与

之间的相对转角幅度)反映了陀螺抖动效率。

由图2及(式1)可见，为了求得本体转角θ和陀螺转角

必须求出惯组系统的各动力参数：本体转动惯量I、陀螺转动惯量I_gro、减振器扭转刚度K、减振器扭转阻尼C₁、陀螺刚度K_gro、抖轮-本体扭转阻尼C₂。

(2)确定本体、陀螺转动惯量I、I_gro：

I、I_gro可根据系统结构三维方案模型计算求得。

(3)确定箱体-减振器-本体系统扭转刚度系数K：

假设单个减振器的刚度为k(三向等刚度)。

如图3，当本体相对于箱体有一小转角θ时，某一减振器和本体连接点的切向位移为S＝R₁×θ，该位移分解到减振器的轴向和切向分别为：S_轴＝R₁×θ×cosα、S_切＝R₁×θ×sinα(α为切向位移和减振器轴向的夹角)；从而产生的轴向力和切向力为：F_轴＝R₁×θ×cosα×k_轴、F_切＝R₁×θ×sinα×k_切(k_轴、k_切为单个减振器的轴向刚度和切向刚度)；因而产生的扭矩为F×S＝F_轴×R₁×cosα+F_切×R₁×sinα＝k_轴×R₁ ²×θ×cos²α+k_切×R₁ ²×θ×sin²α；当k_轴＝k_切＝k时，F×S＝k×R₁ ²×θ。8个减振器，当本体相对于箱体有一小转角θ时减振器的扭转力矩总和为

从而8点减振，减振器的扭转刚度为：

(4)确定箱体-减振器-本体系统扭转阻尼系数C₁：

阻尼系数c的定义为阻尼力与速度成反比(F＝c×v)；单个减振器阻尼系数为c，类似于本体-箱体扭转刚度系数，8点减振，减振器的扭转刚度为：

(5)确定本体-抖轮-陀螺系统扭转刚度系数K_gro：

激光陀螺的抖频固定，根据陀螺的固有抖频可计算器等效扭转刚度K_gro：

由此可得：

K_gro＝4×π²×f×I_gro (式6)

(6)确定本体-抖轮-陀螺系统扭转阻尼系数C₂：

陀螺-本体扭转阻尼系数可以根据试验求得。如图4所示，给陀螺一个扭转方向的冲击激励，随后陀螺将做扭转振荡，其扭转振荡脉冲的衰减块快慢即反映了其阻尼系数的大小。具体为：

设A₁、A₂为相邻峰值，A₁/A₂为相邻峰值之比，δ＝lnA₁/A₂，则相对阻尼系数：

I_gro为陀螺转动惯量，f为激光陀螺的固定抖频，则

C₂＝4×I_gro×π×fξ

(7)结果计算

根据(2)～(7)步确定的各系数，代入(式1)，编程用数值计算方法求解(式1)，即可求得本体转角θ和陀螺转角

从而可求得陀螺相对于本体之间的转动幅度(即θ与

的差值的幅度大小)。

实施例：

以某套激光惯组为例，其陀螺抖动效率计算过程为：

(1)根据所选类型减振器在其他已有激光惯组系统(已知本体质量及减振器个数)上的谐振点及放大倍数试验结果，可求取其减振器刚度和阻尼性能参数；本例中本体质量9.5Kg、减振器个数8个、系统谐振频率81Hz，谐振点处放大倍数3.9，据此可求(式3)、(式4)中单个减振器的刚度k和组比c。

(2)根据上步中单个减振器刚度k和阻尼c，以及现有减振器个数及布局尺寸(减振器布局尺寸

可根据(式3)、(式4)求得减振器系统扭转刚度K及扭转阻尼C₁；

(3)根据上两步中计算结果，及已知的该方向本体转动惯量、陀螺转动惯量、陀螺阻尼系数、陀螺抖频，可进行陀螺相对于本体的抖动幅度计算。

一般可用激光陀螺抖动和频K反映陀螺相对于本体的抖动幅度，其对应关系可根据单陀螺抖动和频及输入驱动电压之间的对应关系求得。某型激光惯组系统的抖动性能计算示例如图5所示，给出了改变减振器性能(减振系统谐振频率)时陀螺抖动幅度(和频)的数值，当减振系统谐振频率为50Hz时，和频为300K，满足使用要求，而当减振器刚度件大时(如某些减振器低温下刚度变大)抖动效率降低。图6为另一惯组的抖动性能计算示例，减振系统谐振频率为低频段时，陀螺抖动效率较差。

本发明未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.激光惯组结构系统陀螺抖动性能确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定激光惯组结构系统陀螺抖动模型：

其中：

t为时间；

I_gro为陀螺转动惯量，即本体上陀螺玻璃体的转动惯量；

I为本体转动惯量，即整个本体组件去掉该方向的陀螺后，剩下部分绕抖轮轴的转动惯量；

陀螺、本体之间由抖轮连接，K_gro、C₂分别为抖轮扭转刚度系数和扭转阻尼系数；

本体、箱体之间由减振器连接，K、C₁分别为减振器等效扭转刚度系数和扭转阻尼系数；

θ为本体相对于箱体的转角；

为陀螺相对于箱体的转角；

D为陀螺抖动的驱动力，与抖动驱动电压成正比；

(2)确定减振器等效扭转刚度系数K：

其中k为单个减振器的刚度，R₁、R₂…R_n为该方向投影平面内抖轮中心分别距第1、2…n个减振器的距离；

(3)确定减振器等效扭转阻尼系数C₁：

其中c为单个减振器的阻尼系数；

(4)确定抖轮扭转刚度系数K_gro：

K_gro＝4×π²×f²×I_gro；

其中f为激光陀螺的固定抖频，且有

(5)确定抖轮扭转阻尼系数C₂：

C₂＝4×I_gro×π×f×ξ；

其中I_gro为陀螺转动惯量，ξ为相对阻尼系数，且有：

其中δ＝lnA₁/A₂，A₁、A₂为相邻峰值；

(6)根据(2)～(5)步确定的各系数，代入步骤(1)建立的模型，得到本体转角θ和陀螺转角

从而求得陀螺相对于本体之间的转动幅度，即θ与

的差值的幅度大小，完成抖动性能的确定。

Images