摘要：提出了一种新型的四自由度陀螺设计方式,结构设计基于科罗奥利效应采用多敏感模态振动单元组合阵列的形式.与传统二自由度陀螺比较,该陀螺阵列在提高增益的同时保持了本身具有的鲁棒性.在四自由度陀螺的设计中,两个具备固有中心频率差值的完全二自由度振动单元被应用在敏感模态中.通过设定中心频率差值,综合考虑了提高陀螺敏感度和稳定性的因素.陀螺阵列通过联合两个敏感模态振动单元的输出,达到提高敏感模态增益和增强系统敏感度的目的.仿真结果表明:与单个敏感模态振动单元相比,陀螺阵列的增益增加了8dB;而且在敏感模态和驱动模态分别产生了220和160Hz范围内的3dB带宽;两个模态的带宽彼此高度匹配,并且为整个系统提供了160Hz的带宽.陀螺阵列对于结构参数的变化和制造误差都有很强的鲁棒性,从而说明该设计能满足实际需求.

摘要：针对微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)陀螺仪准确度低、噪声大的问题,采用陀螺阵列技术降噪以提高陀螺的使用精度。采用Allan方差法分析陀螺信号误差噪声项,依据分析结果对测量模型进行了简化,利用噪声相关性设计了一种卡尔曼滤波器(Kalman filter,KF)对陀螺阵列进行数据融合,并对最优估计过程进行了改进,降低了数据处理的复杂度和计算量,同时从理论上分析了各参数对阵列性能的影响。为提高滤波器的动态性能,将自回归(autoregressive,AR)模型应用于陀螺真实角速率的建模。采用6个陀螺构成的阵列进行了验证实验。实验结果表明:与单个陀螺相比,陀螺阵列的噪声在静态条件下降低了144.2倍,在恒速率和正弦速率条件下噪声分别降低了18.18倍和5.36倍,证明了此建模方法和融合方法的有效性。

摘要：为提高微机电系统(MEMS)陀螺的精度,提出一种基于松弛Chebyshev中心(RCC)的最优定界椭球(OBE)算法,并用于陀螺阵列信号的融合。以单个陀螺误差输出模型为基础,建立了阵列系统的机动融合模型;由于噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,运用OBE算法实现角速率信号的稳健估计;在OBE算法中,往往采用椭球几何中心作为真实值的点估计,但该中心并没有理论上的最优特性,而可行集的Chebyshev中心具有很多优良特性,同时,考虑到准确的Chebyshev中心求解十分困难,转而求解可行集的RCC,作为速率信号的点估计,设计了以RCC作为输出的OBE更新过程和新的参数优化准则。采用6个陀螺构成的阵列进行了验证试验,结果表明基于该算法的阵列估计融合方法在获得角速率保证边界的基础上,可以进一步提高MEMS陀螺精度。

摘要：硅微陀螺在中低精度惯性稳定平台和导航系统中有广泛的应用。采用多个陀螺组成阵列,可有效提高测量精度。研究了陀螺阵列输出补偿技术方案,并建立卡尔曼滤波体系框架。设计了一种结合U-D平方根滤波量测更新机制的滚动时域估计算法,有效提高滚动时域估计的算法精度。通过试验表明,经陀螺阵列数据融合的技术方法可有效降低输出误差。在静态测试条件下,时域长度N=1的滚动时域估计算法的输出精度与U-D滤波相当,优于基本卡尔曼滤波;在低动态测试条件下,采用N>1的滚动时域估计能够融合前若干采样点的量测输出,使陀螺阵列输出精度进一步提高。

摘要：针对由多个MEMS陀螺仪组成的阵列系统在动态情况下噪声时变导致输出精度低的问题,提出了新的动态滤波模型和滤波方法。通过分析MEMS陀螺的误差特性和对角速度进行动态建模,构建了基于角速度估计的阵列陀螺随机误差动态滤波模型。由于动态情况下模型的不确定性导致传统方法精度较差,设计了一种多重渐消因子变分贝叶斯自适应卡尔曼滤波算法,利用变分贝叶斯思想和强跟踪理论提高了滤波器量测噪声估计精度、收敛速度和鲁棒性。最后在高精度转台上进行了静态实验和动态实验。实验结果表明:在静态条件下,“虚拟陀螺”方差降低为单个陀螺的4%,零偏不稳定性降低为47.2%;在动态条件下,“虚拟陀螺”能有效跟踪角速度的变化且角速度残差方差降低为单个陀螺的6.2%。该滤波算法能有效提高MEMS陀螺阵列系统的输出精度。

摘要：采用多个硅微陀螺组成阵列并进行数据融合,可进一步提高陀螺测量精度。但阵列中一旦有陀螺出现故障,将造成错误输出。在陀螺阵列卡尔曼滤波数据融合算法基础上,设计了一种基于多模型估计的卡尔曼滤波故障检测方法。针对陀螺噪声增大故障,进一步实现了一种引入补偿激励的故障检测改进方法。通过4陀螺阵列数据融合和故障检测试验表明,故障检测算法能够实现恒值输出和噪声增大两种典型故障的检测。针对噪声增大故障,通过引入补偿激励的检测方法可显著缩短检测延迟和恢复延迟,进一步提高故障检测实时性。

摘要：微机械陀螺仪作为检测载体角速率信息的器件,在姿态控制平台和惯性导航领域有着广泛应用。首先结合国内外发展动态及研究成果,分析了三类芯片级多轴集成微机械陀螺集成方法:三单轴陀螺正交集成法、单片单结构三轴陀螺法及单片多结构陀螺阵列法。其次,通过对当前方案的总结与分析,比较了各方案的优缺点,设计了一种频差小、抗冲击能力强的单片三轴轮环式陀螺结构。仿真实验表明该结构能承受20000 g冲击,轮结构频差为180.3 Hz,环结构频差为3 Hz。最后,分析了未来芯片级多轴集成微陀螺仪的改良方向。

摘要：为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案。所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出。通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象。四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一个阵列,每两个微型控制力矩陀螺的电压相位依次相差90°,即可消除寄生控制力矩并稳定力矩输出。所设计的微型控制力矩陀螺四单元阵列的力矩输出可达5.12×10-6 Nm。最后,设计了微型控制力矩陀螺两层可动结构的工艺流程,所设计的工艺流程尽管具有一定的复杂性和难度,但均采用了当前一些比较成熟的工艺步骤,具有一定的可行性,有望在微型航天器的姿态控制上得到应用。