高精度微机电陀螺研究现状与发展趋势

微机电陀螺具有体积功耗小、重量轻、成本低等优势,在工业与国防装备中广泛应用.高精度的微机电陀螺可提升多类装备、平台姿态测控精度,有望解决无人车、无人机等装备在复杂环境下的自主导航问题,发展前景广阔,因而始终是惯性领域的热点研究方向之一.但是高精度微机电陀螺研制面临的技术挑战同样十分巨大,本文首先梳理了高精度微机电陀螺的结构演变规律,并将其分为质量块式结构以及旋转对称式结构进行了性能分析与对比.接着针对微机电陀螺表头品质提升问题,总结了微谐振结构的品质因数提升方法以及频率修调方法,然后按照速率模式、速率积分模式以及频率调制模式介绍了高精度微机电陀螺控制技术研究现状.最后,本文对高精度微机电陀螺的发展和应用趋势进行了展望.     

形位误差对半球谐振子频率裂解的影响

半球谐振子是半球谐振陀螺(hemispherical resonant gyroscope, HRG)最重要的部件,其加工时引入的形位误差是造成其频率裂解并最终影响HRG精度的主要因素.本文通过优化网格划分方法建立理想半球谐振子有限元模型,大幅提升了仿真模型精度,分析了厚度误差、中径误差、端面误差、相对位置误差等各类形位误差对谐振子频率裂解的影响规律,利用滤波与同心处理从圆度测量数据中提取谐振子厚度差信息,同时采用白光干涉子孔拼接技术获取半球端面全口径面形,结合离子束加工技术验证了球壳厚度与端面面形度误差对半球谐振子频率裂解的影响,为进一步提高半球谐振子加工性能提供理论与技术支撑.     

大型捆绑火箭姿态动力学模型研究

针对大型捆绑运载火箭所呈现出的低频密频模态、纵-横-扭强耦合、复杂局部变形和发动机低频谐振以及多贮箱液体晃动的特点,推导建立了工程实用的姿态动力学模型.基于牛顿-欧拉法建立了刚体质心和绕质心运动方程、液体晃动方程以及发动机振动方程,基于有限元方法建立了火箭弹性振动方程.模型充分反映了发动机摆动、液体晃动等活动质量相对箭体运动时对刚体运动和弹性振动的影响,充分反映了刚-晃-弹以及发动机低频谐振之间的耦合,同时保留了工程上所熟悉的形式.基于坐标变换思想提出了弹性旋转矩阵方法求解复杂弹性变形后外力的大小和作用点,推导过程中严格按照定义求解,避免了错项和漏项,推导原理简明、概念清晰,过程规范,易于设计人员理解.基于ADAMS的虚拟样机仿真结果验证了本文推导模型的正确性.     

高次谐振微悬臂的有限元设计与分析

多频原子力显微术(MF-AFM)是近些年发展的包含一大类先进原子力显微术的新技术,具有很高的空间分辨率,不仅可以实现更多样品物性的表征,还具有时间分辨的非线性力的探测能力.MF-AFM的基本原理是对微悬臂探针的多个振动频率进行激励和探测,而这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或本征模式有关,因此,实现这一新技术的关键是设计特殊的微悬臂.传统AFM中应用较为广泛的颇具代表性的传统微悬臂有硅微悬臂与石英音叉微悬臂等.传统矩形硅微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为6.27,而石英音叉微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率之比无统一的值,但均为非整数,直接利用传统微悬臂去探测高次谐振信号是非常困难的.基于微悬臂的共振放大效应,本文通过改变微悬臂的质量分布,讨论了传统硅微悬臂和石英音叉微悬臂本征模式的变化,调谐其高阶本征模式与基础模式间频率的耦合关系.通过理论计算和有限元分析,设计了二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为整数倍关系的特殊硅微悬臂与石英高次谐振型微悬臂,部分特殊微悬臂还涉及了一阶扭转模式与基础模式的耦合.     

Rayleigh波斜入射下层状场地中凸起地形的三维响应分析

采用间接边界元法研究了层状场地中凸起地形对斜入射Rayleigh波的三维响应问题.该间接边界元方法结合层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数基本解,克服了传统边界元法中的奇异性问题,刚度矩阵运算的引入则避免了对土层交界面和自由地表的离散,使得该方法具有很高计算精度的同时对复杂边界有着很好的适应性.通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中凸起地形为例,分别在频域和时域内进行了计算分析,研究了Rayleigh波的斜入射角度、入射频率、凸起的截面形状、凸起的高度、特别是Rayleigh波的频散和多模态特性对地面动力响应的影响.研究表明层状场地中由于Rayleigh波存在频散和多模态特性,使得凸起表面的动力放大效应与均匀场地情况存在明显的差别,层状场地高阶模态(二阶以上模态)凸起水平位移幅值放大谱与第一阶模态存在很大差异,呈现窄频放大,峰值频率处凸起顶部附近位移幅值非常大,且峰值频率与对应有效阻尼比峰值频率一致.     

不同激励频率比下复合模态振荡的结构特性分析

研究多频激励下不同激励频率比时快慢耦合系统的各种复合模态振荡的动力特性及其产生机制.以广义BVP(Bonhoffer-van der Pol)耦合电路为例,通过引入两个电压源控制的电路模块,建立了具有双周期激励的五阶动力模型.选定适当的参数,使得两个激励频率均远小于系统的固有频率,以此考察不同激励频率比下系统的快慢动力学行为.将两个外激励项转化为一个慢变量表达形式,从而将系统分为快慢耦合两子系统.分析了快子系统的平衡点及其分岔条件,探讨了不同激励频率比对复合模态振荡结构的影响,得出系统可能产生原点中心对称,轴对称和非对称的复合模态振荡.给出了系统在6组激励频率下的不同复合模态振荡行为,并进一步揭示了其相应的产生机理.     

阶梯轴-柔性盘耦合系统振动特性分析

传统的地面旋转机械轮盘类结构刚度较大,在转子动力学分析中多将其假定为集中质量点,而在航空发动机中为了满足减重的需要,轮盘较为轻薄,其柔性不可忽略.目前针对转轴和柔性盘耦合系统振动特性的研究还较少,为了弥补这一研究的不足,本文结合假设模态法和有限单元法,采用有限元-半解析混合建模法,建立了阶梯轴-柔性盘的动力学模型,其中阶梯轴采用铁木辛柯梁模拟,柔性盘则使用半解析方法建模,基于Lagrange方程和Galerkin方法,推导出系统的运动微分方程;然后分析了在静止和旋转状态下阶梯轴-柔性盘耦合系统的固有特性,并采用ANSYS软件仿真和模型实验验证了所开发模型的有效性;最后分别在刚性盘和柔性盘假设下,求解对比了系统的幅频响应,揭示柔性盘对系统高阶振动的影响规律.     

运载火箭动力学建模中液体推进剂模拟技术

针对以往火箭结构动力学分析过程中,横向采用梁模型、纵向采用弹簧-质量模型无法反映捆绑火箭纵向与横向、纵向与扭转模态之间耦合效应的问题,提出了基于梁模型的推进剂模拟方法,建立了以附加质量形式表示的液体推进剂耦合质量矩阵.将此方法用于串联式贮箱结构的动力学建模和模态分析,实现了基于梁模型的火箭纵向、横向和扭转一体化建模及动力学特性分析,为研究捆绑火箭纵向-横向、纵向-扭转模态之间的耦合问题奠定了基础.     

多频原子力探针显微技术

不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像,一直以来就是原子力显微术的发展目标.目前,最可能实现这一目标的手段是近些年发展的多频原子力显微术.多频原子力显微术,即利用多频率激励和/或多频率探测微悬臂的振动信号来研究样品纳米物性的一大类AFM技术.它可以实现针尖与样品间作用非线性信息的提取,在组分探测灵敏度、时间和空间成像分辨率等方面展现了巨大的优势.文中综述了多频原子力显微术所包含的不同实现方法的基本原理,并介绍了它们在高分辨成像、纳米力学、材料、生物等方面的前沿应用实例.此外,为探索多频原子力显微术,我们提出了一种特殊的高次谐振型石英音叉微悬臂模型.最后,文章展望了多频原子力显微术的下一步技术发展和应用研究.     

包含高相关度密集模态的结构低阶振动控制

为度量密频结构中密集模态组内各模态之间的相关度,定义了模态相关准则,阐述了结构系统具备一定条件时会出现模态频率集聚及对应模态相关度高的特性.在此基础上,通过可控/可观性Gram阵的分块解析形式,分析了作动器/传感器的配置方式对模态相关度高的密集模态组内各模态可控/可观度的影响,据此简化了基于模态可控/可观度准则的元件优化配置问题.此外,证明了密频组模态相关度高时,独立模态控制中可降低控制/观测向量的维度,即减少作动器/传感器的数目,在不损失性能的前提下实现对密频组的降维控制.最后通过算例仿真证明,对包含强相关性密集模态的结构,基于本文理论可简化作动器/传感器的配置问题,并且根据本文理论设计的低阶降维控制系统可实现对结构有效的振动抑制。     

弹性地基中的三维时域规则网格无限元

针对目前弹性地基中的动力无限元由于含有频率项而无法在时域中计算的情况,本文构造了一种新型三维规则网格无限元,该新型无限元能够很方便地将无限元单元质量、刚度矩阵中含有频率的项转化为高阶动力方程中的项,从而形成高阶动力平衡方程;在参考二阶动力方程wilson-θ时域解法下,推导了一种新的高阶动力方程时域数值计算公式,从而实现有限元和无限元耦合法的时域计算.最后通过典型的波动问题算例来考察新型无限元的精度及有效性,结果表明,新的动力无限元具有较高精度.     

月地高速再入返回飞行器陀螺在轨自主标定技术研究及实现

针对包含非正交安装陀螺的捷联惯导平台轻量化自主对准问题,建立了非正交陀螺组误差模型,提出一套基于最小二乘法的标定算法和地面试验验证方法,在计算能力受限的情况下完成了高精度在轨标定.地面数学仿真和试验验证结果表明,该方法与扩展卡尔曼滤波法精度相当,计算量却大幅减小.在此基础上,通过对标定算法进行逻辑设计,实现了在轨多组陀螺同步容错和标定.该方法已成功应用于探月工程三期月地高速再入返回飞行器的实际飞行,实现了2套惯性导航平台的高精度初始姿态同步对准.     

基于模态置信准则计算的L(0,1)导波弯头反射研究

研究了L(0,1)模态导波在管道弯头处的反射特性,提出了一种新的基于导波模态置信准则计算的L(0,1)模态导波弯头反射分析方法.使用数值模拟方法研究了L(0,1)模态导波在弯头处的模态转换,并分析了导波激励频率、弯曲半径和弯曲角度3种因素对L(0,1)模态导波反射的影响;利用导波模态置信准则表示导波弯头反射程度,反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果进行了对比,最后进行了实验验证.结果表明:L(0,1)模态导波在弯头会部分转换成F(1,1)模态,方向与弯头拱背-拱腹方向一致;随着频率和弯曲半径增大,导波反射幅值单调减小,随着弯曲角度增大,反射幅值非单调变化;用导波模态置信准则表示弯头反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果一致,实验结果进一步验证了导波模态置信准则表示方法的正确性.研究结果将为含弯头管道L(0,1)模态导波检测提供理论指导和新的分析方法.     

应用于智能电网的高压直流电流及谐波测量方法研究

智能电网的发展对相应的测量设备提出了更高的要求,包括体积小、重量轻、准确度高、测量频带宽等.本文研究了一种应用于智能电网的高压直流电流及谐波电流测量方法.直流电流测量采用基于霍尔磁场传感阵列的测量方式,采用多个传感器构成传感阵列,有效降低导体偏心、偏角等因素的影响;直流谐波电流测量采用4个直线型线圈构成的方形Rogowski线圈作为传感单元,并利用改进的高精度数字积分算法实现线圈输出的积分还原,大大降低了频率变化等因素的影响.同时,提出一种基于梯形自卷积窗的四谱线插值DFT算法,有效提高了直流分量及谐波分量的提取准确度.测试及应用结果表明,该新型高压直流测量互感器直流电流测量误差小于0.10%,谐波测量比差变化小于0.2%,角差变化小于8′,输出信号为数字量.该测量设备具有准确度高、测量频带宽、体积小等优点.     

弹性静不稳定高超声速飞行器姿态综合控制

针对弹性静不稳定高超声速飞行器存在的气动伺服弹性以及强不确定性问题,提出了一种综合相位稳定与线性自抗扰控制的姿态控制器.其中,相位稳定策略通过合理配置速率陀螺传感器的位置,达到镇定弹性模态并增加弹性模态阻尼的目的,相比于幅值稳定方法对弹性振型以及弹性频率的摄动具有更强的鲁棒性,解决了飞行器静不稳定性强且弹性模态频率较低时的气动伺服弹性问题.对于强不确定性,采用线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control, LADRC)对内部不确定性以及外部扰动进行估计和补偿,最后采用H_∞非光滑优化技术对闭环加权性能传递函数进行H_∞范数优化来整定控制器参数.非线性仿真结果表明该方法不仅能有效地抑制弹性模态,而且能够通过简单的增益调度在整个飞行包络内取得满意的控制效果.     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

中高频激励下微振动流体阻尼器解析模型

航天器执行机构工作时产生的高频微幅扰振严重影响成像精度.针对中高频激励下微振动流体阻尼器,采用解析方法,考虑流体的压缩性及阻尼孔道内黏性损失,建立微振动流体阻尼器中高频激励下动力学解析模型,给出压差力在时域解析表达式,分析阻尼孔尺寸、流体黏度、激励幅值对动力学特性影响,结果表明,压差力中包含瞬态分量、阻尼力分量以及弹性力分量,阻尼力分量提供阻尼力,弹性力分量提供刚度,瞬态分量随时间衰减.孔径、孔长、阻尼液黏度变化会导致刚度和阻尼变化,激励幅值变化对刚度和阻尼没有影响.     

运载火箭动力学建模及振型斜率预示技术

针对姿态控制系统设计关心的速率陀螺安装位置局部振型和振型斜率问题,提出了在传统等效梁模型基础上对局部结构详细建模方法,进行了全箭动特性分析及振型和振型斜率提取,揭示了速率陀螺安装位置局部振型和振型斜率沿圆周方向的分布规律以及口盖附近刚度变化对局部振型和振型斜率的影响.试验结果表明该方法获得的全箭动特性结果合理.     

嫦娥三号巡视器视觉定位方法

月面巡视器的定位是巡视器开展月面科学考察工作的基础,是一项关键技术.本文提出了一种基于计算机视觉的定位方法,将SIFT(scale-invariant feature transform)匹配、相关系数匹配、最小二乘匹配和光束法平差等多项技术融合,实现了相邻站间月面巡视器的导航定位.在实验室构建立体视觉导航系统对本文的方法进行可行性和精度测试,结果表明视觉定位相对精度将优于4%,并成功应用于玉兔号巡视器定位.     

微机械桥型压控振荡器

设计制作了一种由电热激励/压敏电桥拾振的二氧化硅/硅双层微桥谐振器及其闭环谐振电路实现的高Q值微机械压控振荡器. 通过调节压敏电桥的桥压, 改变桥的平均温升和轴向应变, 可调节压控振荡器的中心频率. 理论计算和实验结果表明, 输出信号的频率与桥压的平方具有良好的线性关系. 对所测试的器件, 其线性度为0.16%, 振荡频率可调节范围与振荡频率的比值为17.15%.