微型梳狀線振動(dòng)陀螺儀特性及干擾因素影響的研究.pdf

1、微機(jī)械陀螺慣性導(dǎo)航和穩(wěn)定系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天和航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代以及可預(yù)見(jiàn)未來(lái)的高科技戰(zhàn)場(chǎng)上，各種武器的精確打擊能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果的重要因素。強(qiáng)技術(shù)對(duì)抗的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境迫切需要微型飛行器、微型機(jī)器人等微小型偵察設(shè)備，遠(yuǎn)距離精確打擊迫切需要制導(dǎo)炸彈、炮彈、戰(zhàn)區(qū)外投放武器等大量制導(dǎo)武器。大量的坦克、車輛、艦船、飛機(jī)上需要為武器、偵察、探測(cè)和通信裝備提供各種要求的姿態(tài)穩(wěn)定能力。數(shù)量巨大的需求促使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向低

2、成本、微型化、低功耗、抗沖擊的方向發(fā)展。微機(jī)械陀螺技術(shù)的發(fā)展，使得陸海空二炮各個(gè)軍兵種的各種武器和武器運(yùn)載工具將來(lái)有了可以普遍使用的低成本制導(dǎo)、導(dǎo)航和姿態(tài)穩(wěn)定裝備。本論文旨在研究MEMS陀螺儀的環(huán)境影響。 本論文在深入調(diào)研與分析國(guó)內(nèi)外MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀相關(guān)理論與技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了該領(lǐng)域的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)，詳盡論述了MEMS陀螺儀的研究現(xiàn)狀，存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)。以MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀為對(duì)象研究其結(jié)構(gòu)、電容、

3、靜電力、動(dòng)力學(xué)及干擾因素的影響，主要研究工作如下： 1) 根據(jù)國(guó)內(nèi)外MEMS陀螺儀的實(shí)際情況，研究各種MEMS支撐彈性梁。結(jié)合U形曲折梁支撐結(jié)構(gòu)和蛇形曲折梁支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種“幾字形”支撐彈性梁。用能量平衡法，分析了“幾字形”梁的物理性能，推導(dǎo)出“幾字形”支撐彈性梁彈性系數(shù)的表達(dá)式，得到彈性梁在各個(gè)方向的彈性系數(shù)，總結(jié)出了這種彈性梁在各個(gè)方向間彈性系數(shù)的特點(diǎn)。從這些特點(diǎn)可以看出，“幾字形”彈性梁很好的解決了各個(gè)軸向之間

4、耦合的問(wèn)題。 2) 針對(duì)各種空氣阻尼模型，根據(jù)MEMG梳狀線振動(dòng)陀螺儀的梳齒結(jié)構(gòu)以及空氣阻尼的特點(diǎn)，建立了MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀的阻尼模型。此模型的特點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模態(tài)中都含有雙面庫(kù)埃特流阻尼和雙面壓膜阻尼。通過(guò)兩種阻尼的結(jié)合，建立了MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的阻尼模型。運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)給·呂蓬克、波義耳-馬略特和查理等三個(gè)定律，建立了MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀氣壓的模型，研究了氣壓對(duì)此陀螺儀的影響

5、。通過(guò)研究看出，當(dāng)氣壓在高度真空狀態(tài)時(shí)，氣壓的微小變化就會(huì)引起陀螺儀阻尼及輸出的急劇變化，當(dāng)氣壓在低真空狀態(tài)時(shí)，氣壓的微小變化會(huì)引起陀螺儀阻尼及輸出的較大變化，當(dāng)氣壓在接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，陀螺儀阻尼及輸出的變化隨著氣壓的變化不明顯。因此，MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀的工作氣壓最好定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，這樣既滿足了陀螺儀工作環(huán)境的要求，又有利于對(duì)氣壓的控制。 3) 針對(duì)MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其靜電力的特點(diǎn)

6、，建立了結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的靜電力耦合誤差模型以及梳齒變形模型。從模型當(dāng)中可以看出，梳齒之間的距離誤差變化對(duì)陀螺儀的輸出影響比較大，當(dāng)距離誤差小于原來(lái)距離的1/3時(shí)，輸出誤差不是非常明顯，當(dāng)距離誤差大于原來(lái)距離的1/3小于2/3時(shí)，輸出誤差非常明顯，當(dāng)距離誤差大于原來(lái)距離的2/3時(shí)，梳齒之間會(huì)產(chǎn)生吸合現(xiàn)象，損壞MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀。 4) 建立了MEMS梳狀線振動(dòng)陀螺儀的動(dòng)力學(xué)模型，分析了不理想模型誤差，研究了載體加速度和繞其它