國防科學技術大學慣性技術實驗室優秀博士學位論文叢書：半球諧振陀螺誤差建模補償與力平衡控製方法研究 [Error Modeling Compensation and Forces to Rebalanc 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　半球諧振陀螺具有精度高、壽命長、可靠性高、抗衝擊性能強、本徵抗輻射等突齣優點，特彆適用於航天器的空間定姿、地質鑽井係統的定位定嚮等領域。但是，國內半球諧振陀螺的研究水平與國外還存在較大差距，特彆是在陀螺零偏穩定性、標度因數綫性度以及溫度漂移補償方麵。並且，美國政府要求世界上高精度的半球諧振陀螺生産商諾斯羅普·格魯曼公司對我國大陸地區施行嚴格的産品禁運政策。因此，自主研製高性能的半球諧振陀螺對我國的深空探測、地質鑽探等國防、國民經濟建設等領域具有重要的戰略意義。
　　本書從半球諧振陀螺數學建模、誤差分析、控製方法以及溫度漂移補償等幾個方麵進行瞭深入細緻的研究，為半球諧振陀螺的發展提供瞭一些有用的藉鑒。

內頁插圖

目錄

第1章 緒論
1．1 半球諧振陀螺特點
1．2 半球諧振陀螺簡介
1．2．1 半球諧振陀螺結構及基本原理
1．2．2 半球諧振陀螺主要優點
1．2．3 半球諧振陀螺工作模式
1．3 國內外發展動態
1．3．1 美國半球諧振陀螺的研究
1．3．2 法國半球諧振陀螺的研究
1．3．3 俄羅斯半球諧振陀螺的研究
1．3．4 國內半球諧振陀螺的研究
1．4 半球諧振陀螺發展中存在的問題
1．5 半球諧振陀螺建模及誤差機理研究現狀

第2章 半球諧振陀螺動力學建模與進動分析
2．1 基於薄殼理論的半球諧振子力學模型
2．1．1 一般殼體變形基本方程
2．1．2 半球諧振子球殼的基本方程
2．2 半球諧振子殼體的動能與彈性勢能
2．3 半球諧振陀螺等效動力學模型
2．4 定量分析與計算實例
2．5 實驗驗證
2．6 本章小結

第3章 基於振動模型的半球諧振陀螺誤差分析
3．1 半球諧振陀螺的主要誤差來源
3．2 半球諧振陀螺誤差模型的建立
3．2．1 理想條件下諧振子振動方程
3．2．2 存在誤差耦閤項條件下諧振子振動方程
3．2．3 二維振動方程到橢圓參數方程的變換
3．3 誤差分析與仿真
3．3．1 主波波腹誤差
3．3．2 正交波波腹誤差
3．3．3 主波波腹軸方位角漂移誤差
3．4 實驗驗證
3．4．1 實驗原理
3．4．2 實驗步驟及結果
3．5 本章小結

第4章 半球諧振陀螺力平衡控製及其誤差抑製
4．1 力平衡模式下半球諧振陀螺數學模型
4．2 力平衡模式下的半球諧振陀螺控製
4．2．1 主振型（驅動）迴路的設計與控製
4．2．2 從振型（敏感）迴路的設計與控製
4．3 半球諧振陀螺正交控製迴路電極選取及其控製方案設計
4．3．1 正交控製誤差信號獲取
4．3．2 正交控製迴路控製器設計
4．3．3 正交控製迴路施力電極的選取
4．3．4 正交控製迴路控製方案設計
4．3．5 正交控製迴路實驗驗證
4．4 實驗數據分析與結果
4．5 本章小結

第5章 基於FPGA的半球諧振陀螺檢測與驅動控製係統實現
5．1 半球諧振陀螺驅動方法
5．1．1 電容驅動原理與驅動電壓選擇
5．1．2 驅動高壓放大
5．2 半球諧振陀螺檢測方法
5．2．1 位移-電容轉換
5．2．2 微弱電容檢測與信號處理
5．2．3 檢測電容電極編排
5．3 模數接口與數模接口設計
5．3．1 ADC轉換芯片AD7767接口邏輯設計
5．3．2 DAC轉換芯片AD5791接口邏輯設計
5．4 控製環路的FPGA實現與功能模塊劃分
5．4．1 信號解調單元
5．4．2 嵌入式控製單元
5．4．3 信號閤成單元
5．5 數據通訊接口設計與實現
5．5．1 FPGA串口發送模塊及接口設計
5．5．2 上位機串口接收軟件設計
5．6 本章小結

第6章 基於諧振頻率的半球諧振陀螺溫度漂移補償
6．1 半球諧振陀螺溫度補償方法選擇
6．2 半球諧振陀螺諧振子的溫度一頻率特性
6．3 半球諧振陀螺諧振子的溫度一頻率係數標定實驗
6．4 基於諧振頻率的半球諧振陀螺溫度建模與溫度補償
6．4．1 逐步綫性迴歸方法
6．4．2 基於逐步綫性迴歸法的溫度補償
6．5 本章小結

第7章 結論與展望
7．1 全書總結
7．2 研究展望

參考文獻

前言/序言

　　半球諧振陀螺具有精度高、壽命長、可靠性高、抗衝擊性能強、本徵抗輻射等突齣優點，特彆適用於航天器的空間定姿、地質鑽井係統的定位定嚮等領域。但是，國內半球諧振陀螺的研究水平與國外還存在較大差距，特彆是在陀螺零偏穩定性、標度因數綫性度以及溫度漂移補償方麵。並且，美國政府要求世界上唯一高精度的半球諧振陀螺生産商諾斯羅普·格魯曼（NorthropCrumman）公司對我國大陸地區施行嚴格的産品禁運政策。因此，自主研製高性能的半球諧振陀螺對我國的深空探測、地質鑽探等國防、國民經濟建設等領域具有重要的戰略意義。
　　本書從半球諧振陀螺數學建模、誤差分析、控製方法以及溫度漂移補償等幾個方麵進行瞭深入細緻的研究，為半球諧振陀螺的發展提供瞭一些有用的藉鑒。本書的主要工作有：
　　（1）為研究半球諧振陀螺的振動特性，依據薄殼理論，建立瞭半球諧振陀螺的動力學模型。采用變分法以及虛功原理，通過等效係統的方法，將復雜的固體波二階振動模態簡化為一質點在二維空間中的簡諧振動，建立瞭二維空間中質點的振動微分方程，通過等效係統的分析方法揭示瞭復雜的固體波進動現象。
　　（2）基於二維質點振動模型，對半球諧振陀螺的誤差進行瞭分析。詳細分析瞭半球諧振陀螺的主要誤差來源，並依據分析結果建立瞭半球諧振陀螺的誤差傳播方程。依據各誤差項對半球諧振陀螺振動模態的不同影響，分彆對其在半球諧振陀螺振動模態參數中的影響進行瞭仿真，並得齣抑製與減小誤差的一些有用結論。
　　（3）首次全麵詳細地闡述瞭力平衡模式下半球諧振陀螺的控製方法。半球諧振陀螺可以工作於全角模式與力平衡模式。相比較而言，力平衡模式下的半球諧振陀螺具有更高的精度。本書詳細介紹瞭力平衡模式下半球諧振陀螺正常工作所需要的四個控製迴路：相位跟蹤迴路，幅度控製迴路，正交控製迴路以及速率控製迴路的作用和具體實現。並對控製迴路抑製誤差的原理進行瞭理論分析和實驗驗證。通過轉颱實驗標定的方法測試瞭半球諧振陀螺的主要性能參數，諸如零偏穩定性、標度因素等。
　　（4）依據半球諧振陀螺動力學模型和力平衡模式下半球諧振陀螺的控製方法，設計瞭基於FPGA的半球諧振陀螺全數字檢測與驅動控製係統。研究瞭半球諧振陀螺電容驅動與檢測的原理和方案，設計瞭ADC和DAC模塊與FPGA的接口。依據控製方案，完成瞭FPGA中控製模塊的功能劃分與結構布局，詳細介紹瞭信號解調單元、嵌入式控製單元和信號閤成單元的設計與實現。設計並實現瞭半球諧振陀螺數字控製係統與上位機之間的通信接口模塊，為監測陀螺的工作狀態、係統參數的調試分析提供瞭簡便易行的手段。
　　（5）基於諧振頻率對半球諧振陀螺溫度漂移進行瞭補償。推導瞭溫度與半球諧振陀螺諧振頻率之間的相關性及其數學錶達式。依據此推導結論，提齣采用諧振頻率變化來敏感諧振子的溫度變化的溫度測量新方法，基於此溫度測量方法實現半球諧振陀螺的溫度漂移實時補償方案。此方案不僅可以提高陀螺在全溫區工作的精度，而且成本低廉，不用增加任何硬件部分，且補償效果較好。
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