微型梳狀線振動陀螺儀特性及干擾因素影響的研究.pdf

1、微機械陀螺慣性導航和穩(wěn)定系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)點，在航空、航天和航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，在現(xiàn)代以及可預見未來的高科技戰(zhàn)場上，各種武器的精確打擊能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭結(jié)果的重要因素。強技術(shù)對抗的復雜戰(zhàn)場環(huán)境迫切需要微型飛行器、微型機器人等微小型偵察設備，遠距離精確打擊迫切需要制導炸彈、炮彈、戰(zhàn)區(qū)外投放武器等大量制導武器。大量的坦克、車輛、艦船、飛機上需要為武器、偵察、探測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。微機械陀螺技術(shù)的發(fā)展，使得陸海空二炮各個軍兵種的各種武器和武器運載工具將來有了可以普遍使用的低成本制導、導航和姿態(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)研與分析國內(nèi)外MEMS梳狀線振動陀螺儀相關(guān)理論與技術(shù)文獻的基礎上，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，存在問題與發(fā)展趨勢。以MEMS梳狀線振動陀螺儀為對象研究其結(jié)構(gòu)、電容、

3、靜電力、動力學及干擾因素的影響，主要研究工作如下： 1) 根據(jù)國內(nèi)外MEMS陀螺儀的實際情況，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)點設計出一種“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，推導出“幾字形”支撐彈性梁彈性系數(shù)的表達式，得到彈性梁在各個方向的彈性系數(shù)，總結(jié)出了這種彈性梁在各個方向間彈性系數(shù)的特點。從這些特點可以看出，“幾字形”彈性梁很好的解決了各個軸向之間

4、耦合的問題。 2) 針對各種空氣阻尼模型，根據(jù)MEMG梳狀線振動陀螺儀的梳齒結(jié)構(gòu)以及空氣阻尼的特點，建立了MEMS梳狀線振動陀螺儀的阻尼模型。此模型的特點是在驅(qū)動及檢測模態(tài)中都含有雙面庫埃特流阻尼和雙面壓膜阻尼。通過兩種阻尼的結(jié)合，建立了MEMS梳狀線振動陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的阻尼模型。運用空氣動力學理論，根據(jù)給·呂蓬克、波義耳-馬略特和查理等三個定律，建立了MEMS梳狀線振動陀螺儀氣壓的模型，研究了氣壓對此陀螺儀的影響

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

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