CN108731659A - 一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪 - Google Patents

一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。所述陀螺仪将单自由度振动单元和二自由度振动单元同时引入陀螺仪作为复合敏感振动单元，利用不同频率范围内单自由度振动单元和二自由度振动单元的幅频响应特性的差异性和互补性对带宽范围内的频率进行划分，使得整个敏感振动单元的输出曲线具有更为优越的幅频响应特性。这种不同频率范围内分别选用不同振动单元的组合检测方式，不仅消除了传统微陀螺设计中敏感振动单元带宽和输出幅值彼此制约的缺陷，同时多组振动单元不间断的提供信号也为陀螺仪的数据处理部分提供了信息的冗余和备份。

Description

一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。
背景技术
如果一个物体在做线运动的同时进行角运动，那么会产生与线运动方向和角速度方向正交的科里奥利加速度，加速度的大小与线运动速度和角速度成正比。通过读取科里奥利加速度来反应微惯性导航陀螺仪某一特定方向受到的角速度影响，是微惯性导航陀螺仪的基本原理。目前，对于微惯性导航陀螺仪的设计通常采用单激励振动单元和单敏感振动单元的设计。这种设计在过去一段时间内，因其良好的带内增益得到了大量的应用。但随着用户对于陀螺带宽的更高要求，这种利用高增益窄带宽的激励和敏感振动单元频域严格匹配的陀螺设计方式已经不能满足需求。而之后产生的二自由度振动单元的设计能在一定程度上拓展带宽，但其具有牺牲陀螺增益的缺点。研究表明，微惯性导航陀螺仪利用单一的振动单元作为激励(或敏感)单元时，其获得更宽测量频域范围与提高检测幅值的能力是相互限制的。
微陀螺设计中典型的振动单元选取分为：单自由振动单元和二自由度振动单元。当选取单自由度振动单元时，采用单一方向振动的弹簧结构连接固定的锚点和激励结构，使得激励结构沿激励方向做一维振动。如图1所示，弹簧结构的胡克系数为k激励，空气阻尼为c激励，激励结构的质量为m，激励力为F激励，列写激励结构的振动方程：
分析激励结构的振动方程可以得到，在固定频率正弦激励的作用下，激励结构的幅频响应体现为在固有频率附近具有高增益的曲线，而同时其在偏离固有频率时的响应幅值迅速衰减，造成其具有很窄的3dB带宽。而相比而言选取二自由度振动单元可以有效克服固有频率附近响应幅值衰减过快的弊端，有效拓展带宽。
当选取二自由度振动单元时，同样采用单一方向振动的弹簧结构连接激励结构1、激励结构2和固定的锚点，使得激励结构1、激励结构2分别沿激励方向做一维振动。如图2所示，弹簧结构的胡克系数为k激励1、k激励2和k激励3，空气阻尼分别为c激励1、c激励2和c激励3，激励结构1的质量为m1、激励结构2的质量为m2，激励力为F激励，列写激励结构1、激励结构2的振动方程组：
通过激励结构的力学分析和动力学方程组可以得到其沿x方向位移x激励1和x激励2的力学表达式，从中可以看出由于二自由度振动单元中引入了三组一维振动弹簧和两组激励结构。所以激励结构2(通常在微惯性陀螺仪设计中作为关键的“动能转移结构”)其幅频特性为具有双峰值的频率响应曲线，在参数设计合理的条件下可以在两组峰值之间形成一个平坦区域，这就构建了拓展的、具有稳定幅值响应的有效带宽范围。可以看到二自由度振动单元对于拓展系统频率带宽效果显著。但是，对比单自由度与二自由度激励单元的幅频响应曲线可以发现二自由度振动单元在中心频率(通常设定为同条件下单自由度激励振动单元的固有频率)的幅值响应增益远低于单自由度振动单元。
现有技术的设计并不能解决获得更宽测量频域范围与提高检测幅值相互限制的问题。
发明内容
针对现有的微惯性导航陀螺仪存在的不足，本发明的目的在于利用单自由度振动单元与二自由度振动单元的各自优势与互补性，设计一种在不同频率范围内可调的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，该陀螺仪包括由第一激励单元1和第二激励单元2构成的二自由度振动单元，所述第二激励单元2包括并列的、且振动方向均与第一激励单元1垂直的第一单元和第二单元，第一单元为二自由度振动单元，第二单元为单自由度振动单元，所述第一单元包括由弹性结构依次固定连接的第一敏感单元3和第二敏感单元4，以及解除第一单元在激励振动单元1振动方向上的耦合振动的转移单元5，所述转移单元5不参与激励振动单元1振动方向上的振动，但在垂直于激励振动单元1振动方向上随第二敏感单元4一同进行振动，所述第二单元包括第三敏感单元6。
本发明的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其工作原理可参见附图3。微惯性导航陀螺仪包括相互垂直的两组振动模式，为了方便叙述，将激励振动方向设为沿x轴，敏感振动方向设为沿y轴，该陀螺仪检测垂直于xoy平面的旋转角速度Ωz。振动能量在激励单元和敏感单元之间通过科里奥利效应传递，而最终反映在敏感单元的振动中。具有恒定频率的激励力F激励加载在第一激励单元1(m1)上，迫使第一激励单元1和第二激励单元2形成二自由度振动系统沿x轴方向以激励频率进行受迫振动。当第二激励单元2在x方向振动时，通过弹簧结构固连的敏感单元3、敏感单元4和敏感单元6也随第二激励单元2在x方向做等幅的简谐振动。为了解除敏感振动单元工作时与固定锚点之间的耦合，本发明创新性的引入了转移单元5对耦合振动进行解耦。转移单元5不参与振动系统的x方向振动，但其可以在y方向上随敏感单元4一同进行振动。
第二激励单元2内部包括两组振动敏感单元系统，第一单元和第二单元。第一单元(左侧敏感振动单元系统)包含敏感单元3、敏感单元4和转移单元5。当陀螺仪受到与xoy平面正交的旋转角速度Ωz的作用时，在沿x轴简谐振动的调制作用下，角速度Ωz被调制在科里奥利力中。左侧敏感振动单元系统在科里奥利力的驱动下，沿y方向做简谐振动，而角速度Ωz的幅值和频率均被调制在敏感单元3和敏感单元4的振动响应中，最终被感应电极读取。第二单元(右侧敏感振动单元系统)包含敏感单元6，其同样在科里奥利力的作用下做受迫简谐振动，最终振动形式被对应的感应电极读取。
由于本发明的陀螺仪设计分为相互正交并且相互耦合的激励方向和敏感方向，所以按照激励方向和敏感方向分别列写微陀螺的振动力学方程，在激励方向激励单元1和激励单元2的振动方程为：
其中，m1、m2、m3、m4和m6分别表示激励单元1、激励单元2、敏感单元3、敏感单元4和敏感单元6的质量；c激励1、c激励2、c激励3和c激励7表示对应位置各个单元受到的空气阻尼；k激励1、k激励2、k激励3和k激励7为相应弹簧结构的胡克系数。x激励1为激励单元1沿x方向上振动位移；x激励2为激励单元2沿x方向上共同的振动位移；F激励为作用在激励单元1上的简谐驱动力。
在敏感方向由两个敏感振动单元组成，分别是左侧的二自由度振动单元(第一单元)和右侧的单自由度振动单元(第二单元)，左侧二自由度振动单元的振动方程为：
其中，m5表示转移单元5的质量；c敏感4、c敏感5和c敏感6表示对应位置各个单元受到的空气阻尼；k敏感4、k敏感5和k敏感6为响应弹簧结构的胡克系数。y敏感3为敏感单元3沿y方向上振动位移；y敏感4为敏感单元4和转移单元5沿y方向上共同的振动位移；为敏感单元3受到的科里奥利力；为敏感单元4和转移单元5共同受到的y方向科里奥利力，由于转移单元4不参与x方向的振动，所以不会产生科里奥利力，敏感单元4和转移单元5所受到的科里奥利力由敏感单元4单独产生。
右侧的单自由度振动单元的振动方程为：
其中，m6表示敏感单元6的质量；c敏感8表示敏感单元6受到的空气阻尼；k敏感8弹簧结构的胡克系数。y敏感6为敏感单元6沿y方向上振动位移；为敏感单元6受到的科里奥利力。
本发明将单自由度振动单元和二自由度振动单元同时引入陀螺仪作为复合敏感振动单元，利用不同频率范围内单自由度振动单元和二自由度振动单元的幅频响应特性的差异性和互补性对带宽范围内的频率进行划分，使得整个敏感振动单元的输出曲线具有更为优越的幅频响应特性。这种不同频率范围内分别选用不同振动单元的组合检测方式，不仅消除了传统微陀螺设计中敏感振动单元带宽和输出幅值彼此制约的缺陷，同时多组振动单元不间断的提供信号也为陀螺仪的数据处理部分提供了信息的冗余和备份。
进一步地，本发明的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，所述第一激励单元1、第二激励单元2、第一敏感单元3和第二敏感单元4的中心频率，与第三敏感单元6的固有频率以及驱动陀螺仪工作的激励频率相同。这样可以保证陀螺结构中振动的有效传递和能量的有效转化。
进一步地，本发明的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，连接各单元器件的弹性结构只在伸展方向具有特定胡克系数，在非振动方向并不具备延展性和弹性。
进一步地，所述弹性结构为单自由度弹簧结构。采用单自由度弹簧结构作为各个振动单元的支撑和振动传递部件，实现了振动运动的完全解耦。
进一步地，本发明的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，优选所述第一单元和第二单元在陀螺仪设计为上下分布。
根据本发明的一个具体实施例，所述第一单元在陀螺仪的第二激励单元2内位于上部，所述第二单元位于下部。
将两个振动敏感单元设计为上下结构，可保证微惯性导航陀螺仪结构对称、抵消结构加工产生的共模误差。
更进一步地，本发明的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，当陀螺仪工作温度稳定，或运动冲击小时，选取第二单元作为量测单元；当陀螺仪工作温度变化剧烈，或运动冲击剧烈时，选取第二单元作为微陀螺的量测单元。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
突破了目前微导航陀螺仪结构中只存在一组敏感振动单元，不能同时获得更宽测量频域范围与提高检测幅值的局限；通过对比分析单自由度振动单元与二自由度振动单元在幅频响应中的特点，将单自由度振动单元与二自由度振动单元同时引入到微陀螺结构中，具有不同频率振动时微陀螺获得宽测量频域范围与提高检测幅值的双重优势；同时，针对传统微导航陀螺仪激励和敏感方向耦合较大的问题，在二自由度敏感模态中引入了转移单元，实现了激励方向与检测方向振动的机械解耦、抑制了加工结构中容易产生的共模误差对于陀螺输出的影响。
附图说明
图1是单自由振动单元力学分析图；
图2是二自由度振动单元力学分析图；
图3是本发明的一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪振动原理图；
图4是本发明的一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪机械结构示意图；
图5是二自由度敏感振动单元和单自由度敏感振动单元的幅频曲线。
其中，1-第一激励单元，2-第二激励单元，3-第一敏感单元，4-第二敏感单元，5-转移单元，6-第三敏感单元，7-激励方向弹簧结构K激励1，8-激励方向弹簧结构K激励2，9-激励方向弹簧结构K激励3，10-敏感方向弹簧结构K敏感4，11-敏感方向弹簧结构K敏感5，12-激励方向弹性悬梁K激励6，13-敏感方向弹性悬梁K敏感7，14-敏感方向弹性悬梁K敏感8，15-内部锚点，16-外部锚点，17-驱动电极，18-敏感电极1，19-敏感电极2。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的发明内容做进一步的阐释，但不应理解为本发明的范围仅限于以下的实例，根据本发明的发明思路和全文内容，可以将以下实例中的各个技术特征做适当的组合/替换/调整/修改等，这对于本领域技术人员而言是显而易见的，仍属于本发明保护的范畴。
实施例1
如图4所示的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，陀螺仪的结构被设计成上下两个敏感振动单元。
位于上侧的是二自由度振动单元，由第一敏感单元3、第二敏感单元4和转移单元5组成。转移单元5的底部在y轴方向上通过一个敏感方向弹性悬梁K敏感713固定于锚点，转移单元5的左右两侧在x轴方向上通过两个激励方向弹性悬梁K激励612与第二敏感单元4固定连接。第二敏感单元4上侧和下侧在y轴方向上分别通过两个敏感方向弹簧结构K敏感511与第一敏感单元3固定连接，第二敏感单元4与敏感电极19连接。第一敏感单元3上侧和下侧在y轴方向上分别通过两个敏感方向弹簧结构K敏感410与第二激励单元2固定连接。
位于下侧的是由第三单敏感单元6组成的自由度振动单元，第三单敏感单元6与敏感电极18连接并在上下两侧分别通过两个敏感方向弹性悬梁K敏感814与第二激励单元2固定连接。
第二激励单元2在x轴方向上通过4个激励方向弹簧结构K激励28与第一激励单元1固定连接，并在x轴方向上通过4个激励方向弹簧结构K激励39与内部锚点15固定连接。
第一激励单元1在x轴方向上通过4个激励方向弹簧结构K激励17与外部锚点16固定连接，同时与驱动电极17连接。
上述的连接的方式可以根据本发明的原理采用能实现本发明目的的方式进行替换，而不限于以上方式。
优选用单自由度弹簧结构作为各个振动单元的支撑和振动传递弹性部件，实现振动运动的完全解耦。
位于下侧的单自由度振动单元第三敏感单元6，其作用是当激励频率和敏感频率高度匹配时，产生高增益幅值提升陀螺的灵敏度。针对不同频率匹配情况，选取不同的敏感振动单元作为检测输出振荡器，是本发明的突出优势。不仅使得设计出的微导航陀螺仪在优良工作环境中可以提供高灵敏度陀螺输出，而且使得在高动态和冲击等恶劣工作环境中仍能提供稳定角速度输出。
为了使设计出的微导航陀螺仪振动幅度达到最大，将第一激励单元1、第二激励单元2、第一敏感单元3和第二敏感单元4的中心频率，与第三敏感单元6的固有频率以及驱动陀螺仪工作的激励频率相共同设置为5kHz。如图5所示，从单自由度敏感振动单元的幅频响应曲线可以看到，在5kHz附近其具有很高的增益，其峰值为-11dB，3dB带宽为4.985kHz到5.024kHz间的39Hz区域(虚线之间的频率范围)。从二自由度敏感振动单元的幅频响应曲线可以看到，在5kHz附近其具有更为宽阔的带宽，3dB带宽为4.92kHz和5.21kHz之间190Hz区域。
通过对于敏感方向振动单元的幅频特性分析可以得到以下的微陀螺信号选取原则：当微陀螺工作在温度恒定，运动冲击较小的优良环境中时，微导航陀螺仪的输出电压值较高且频率在4.985kHz到5.024kHz间，应选取单自由度敏感振动单元作用微陀螺的量测单元；当微陀螺工作在温度变化剧烈，或运动冲击剧烈等恶劣环境中时，微导航陀螺仪的输出电压值较低且频率偏离4.985kHz到5.024kHz的频率范围，此时应选取二自由度敏感振动单元作用微陀螺的量测单元。利用单自由度敏感振动单元和二自由度敏感振动单元的互补性和信号冗余技术实现了微导航陀螺仪同时获得更宽测量频域范围与提高检测幅值的目的。

Claims (7)

1.一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括由第一激励单元和第二激励单元构成的二自由度振动单元，所述第二激励单元包括并列的、且振动方向均与第一激励单元垂直的第一单元和第二单元，第一单元为二自由度振动单元，第二单元为单自由度振动单元，所述第一单元包括由弹性结构依次固定连接的第一敏感单元和第二敏感单元，以及解除第一单元在激励振动单元振动方向上的耦合振动的转移单元，所述转移单元不参与激励振动单元振动方向上的振动，但在垂直于激励振动单元振动方向上随第二敏感单元一同进行振动，所述第二单元包括第三敏感单元。
2.根据权利要求1所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，所述第一激励单元、第二激励单元、第一敏感单元和第二敏感单元的中心频率，与第三敏感单元的固有频率以及驱动陀螺仪工作的激励频率相同。
3.根据权利要求1所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，连接各单元器件的弹性结构只在伸展方向具有特定胡克系数，在非振动方向并不具备延展性和弹性。
4.根据权利要求3所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，所述弹性结构为单自由度弹簧结构。
5.根据权利要求1所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，所述第一单元和第二单元在陀螺仪设计为上下分布。
6.根据权利要求5所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，第一单元在第二激励单元内位于上部，所述第二单元在第二激励单元内位于下部。
7.根据权利要求1所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪工作温度稳定，或运动冲击小时，选取第二单元作为量测单元；当陀螺仪工作温度变化剧烈，或运动冲击剧烈时，选取第二单元作为微陀螺的量测单元。
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