国防科学技术大学惯性技术实验室优秀博士学位论文丛书：半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究 [Error Modeling Compensation and Forces to Rebalanc 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　半球谐振陀螺具有精度高、寿命长、可靠性高、抗冲击性能强、本征抗辐射等突出优点，特别适用于航天器的空间定姿、地质钻井系统的定位定向等领域。但是，国内半球谐振陀螺的研究水平与国外还存在较大差距，特别是在陀螺零偏稳定性、标度因数线性度以及温度漂移补偿方面。并且，美国政府要求世界上高精度的半球谐振陀螺生产商诺斯罗普·格鲁曼公司对我国大陆地区施行严格的产品禁运政策。因此，自主研制高性能的半球谐振陀螺对我国的深空探测、地质钻探等国防、国民经济建设等领域具有重要的战略意义。
　　本书从半球谐振陀螺数学建模、误差分析、控制方法以及温度漂移补偿等几个方面进行了深入细致的研究，为半球谐振陀螺的发展提供了一些有用的借鉴。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 半球谐振陀螺特点
1．2 半球谐振陀螺简介
1．2．1 半球谐振陀螺结构及基本原理
1．2．2 半球谐振陀螺主要优点
1．2．3 半球谐振陀螺工作模式
1．3 国内外发展动态
1．3．1 美国半球谐振陀螺的研究
1．3．2 法国半球谐振陀螺的研究
1．3．3 俄罗斯半球谐振陀螺的研究
1．3．4 国内半球谐振陀螺的研究
1．4 半球谐振陀螺发展中存在的问题
1．5 半球谐振陀螺建模及误差机理研究现状

第2章 半球谐振陀螺动力学建模与进动分析
2．1 基于薄壳理论的半球谐振子力学模型
2．1．1 一般壳体变形基本方程
2．1．2 半球谐振子球壳的基本方程
2．2 半球谐振子壳体的动能与弹性势能
2．3 半球谐振陀螺等效动力学模型
2．4 定量分析与计算实例
2．5 实验验证
2．6 本章小结

第3章 基于振动模型的半球谐振陀螺误差分析
3．1 半球谐振陀螺的主要误差来源
3．2 半球谐振陀螺误差模型的建立
3．2．1 理想条件下谐振子振动方程
3．2．2 存在误差耦合项条件下谐振子振动方程
3．2．3 二维振动方程到椭圆参数方程的变换
3．3 误差分析与仿真
3．3．1 主波波腹误差
3．3．2 正交波波腹误差
3．3．3 主波波腹轴方位角漂移误差
3．4 实验验证
3．4．1 实验原理
3．4．2 实验步骤及结果
3．5 本章小结

第4章 半球谐振陀螺力平衡控制及其误差抑制
4．1 力平衡模式下半球谐振陀螺数学模型
4．2 力平衡模式下的半球谐振陀螺控制
4．2．1 主振型（驱动）回路的设计与控制
4．2．2 从振型（敏感）回路的设计与控制
4．3 半球谐振陀螺正交控制回路电极选取及其控制方案设计
4．3．1 正交控制误差信号获取
4．3．2 正交控制回路控制器设计
4．3．3 正交控制回路施力电极的选取
4．3．4 正交控制回路控制方案设计
4．3．5 正交控制回路实验验证
4．4 实验数据分析与结果
4．5 本章小结

第5章 基于FPGA的半球谐振陀螺检测与驱动控制系统实现
5．1 半球谐振陀螺驱动方法
5．1．1 电容驱动原理与驱动电压选择
5．1．2 驱动高压放大
5．2 半球谐振陀螺检测方法
5．2．1 位移-电容转换
5．2．2 微弱电容检测与信号处理
5．2．3 检测电容电极编排
5．3 模数接口与数模接口设计
5．3．1 ADC转换芯片AD7767接口逻辑设计
5．3．2 DAC转换芯片AD5791接口逻辑设计
5．4 控制环路的FPGA实现与功能模块划分
5．4．1 信号解调单元
5．4．2 嵌入式控制单元
5．4．3 信号合成单元
5．5 数据通讯接口设计与实现
5．5．1 FPGA串口发送模块及接口设计
5．5．2 上位机串口接收软件设计
5．6 本章小结

第6章 基于谐振频率的半球谐振陀螺温度漂移补偿
6．1 半球谐振陀螺温度补偿方法选择
6．2 半球谐振陀螺谐振子的温度一频率特性
6．3 半球谐振陀螺谐振子的温度一频率系数标定实验
6．4 基于谐振频率的半球谐振陀螺温度建模与温度补偿
6．4．1 逐步线性回归方法
6．4．2 基于逐步线性回归法的温度补偿
6．5 本章小结

第7章 结论与展望
7．1 全书总结
7．2 研究展望

参考文献

前言/序言

　　半球谐振陀螺具有精度高、寿命长、可靠性高、抗冲击性能强、本征抗辐射等突出优点，特别适用于航天器的空间定姿、地质钻井系统的定位定向等领域。但是，国内半球谐振陀螺的研究水平与国外还存在较大差距，特别是在陀螺零偏稳定性、标度因数线性度以及温度漂移补偿方面。并且，美国政府要求世界上唯一高精度的半球谐振陀螺生产商诺斯罗普·格鲁曼（NorthropCrumman）公司对我国大陆地区施行严格的产品禁运政策。因此，自主研制高性能的半球谐振陀螺对我国的深空探测、地质钻探等国防、国民经济建设等领域具有重要的战略意义。
　　本书从半球谐振陀螺数学建模、误差分析、控制方法以及温度漂移补偿等几个方面进行了深入细致的研究，为半球谐振陀螺的发展提供了一些有用的借鉴。本书的主要工作有：
　　（1）为研究半球谐振陀螺的振动特性，依据薄壳理论，建立了半球谐振陀螺的动力学模型。采用变分法以及虚功原理，通过等效系统的方法，将复杂的固体波二阶振动模态简化为一质点在二维空间中的简谐振动，建立了二维空间中质点的振动微分方程，通过等效系统的分析方法揭示了复杂的固体波进动现象。
　　（2）基于二维质点振动模型，对半球谐振陀螺的误差进行了分析。详细分析了半球谐振陀螺的主要误差来源，并依据分析结果建立了半球谐振陀螺的误差传播方程。依据各误差项对半球谐振陀螺振动模态的不同影响，分别对其在半球谐振陀螺振动模态参数中的影响进行了仿真，并得出抑制与减小误差的一些有用结论。
　　（3）首次全面详细地阐述了力平衡模式下半球谐振陀螺的控制方法。半球谐振陀螺可以工作于全角模式与力平衡模式。相比较而言，力平衡模式下的半球谐振陀螺具有更高的精度。本书详细介绍了力平衡模式下半球谐振陀螺正常工作所需要的四个控制回路：相位跟踪回路，幅度控制回路，正交控制回路以及速率控制回路的作用和具体实现。并对控制回路抑制误差的原理进行了理论分析和实验验证。通过转台实验标定的方法测试了半球谐振陀螺的主要性能参数，诸如零偏稳定性、标度因素等。
　　（4）依据半球谐振陀螺动力学模型和力平衡模式下半球谐振陀螺的控制方法，设计了基于FPGA的半球谐振陀螺全数字检测与驱动控制系统。研究了半球谐振陀螺电容驱动与检测的原理和方案，设计了ADC和DAC模块与FPGA的接口。依据控制方案，完成了FPGA中控制模块的功能划分与结构布局，详细介绍了信号解调单元、嵌入式控制单元和信号合成单元的设计与实现。设计并实现了半球谐振陀螺数字控制系统与上位机之间的通信接口模块，为监测陀螺的工作状态、系统参数的调试分析提供了简便易行的手段。
　　（5）基于谐振频率对半球谐振陀螺温度漂移进行了补偿。推导了温度与半球谐振陀螺谐振频率之间的相关性及其数学表达式。依据此推导结论，提出采用谐振频率变化来敏感谐振子的温度变化的温度测量新方法，基于此温度测量方法实现半球谐振陀螺的温度漂移实时补偿方案。此方案不仅可以提高陀螺在全温区工作的精度，而且成本低廉，不用增加任何硬件部分，且补偿效果较好。
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