一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。所述陀螺仪将单自由度振动单元和二自由度振动单元同时引入陀螺仪作为复合敏感振动单元，利用不同频率范围内单自由度振动单元和二自由度振动单元的幅频响应特性的差异性和互补性对带宽范围内的频率进行划分，使得整个敏感振动单元的输出曲线具有更为优越的幅频响应特性。这种不同频率范围内分别选用不同振动单元的组合检测方式，不仅消除了传统微陀螺设计中敏感振动单元带宽和输出幅值彼此制约的缺陷，同时多组振动单元不间断的提供信号也为陀螺仪的数据处理部分提供了信息的冗余和备份。

A micro inertial navigation gyroscope with multiple detection vibration units

The invention discloses a multi - Detection vibration unit micro inertial navigation gyroscope. In the gyroscope, the single-degree-of-freedom vibration unit and the two-degree-of-freedom vibration unit are simultaneously introduced into the gyroscope as the composite sensitive vibration unit. The frequency in the bandwidth range is divided by the difference and complementarity of the amplitude-frequency response characteristics of the single-degree-of-freedom vibration unit and the two-degree-of-freedom vibration unit in different frequency ranges, so that the whole bandwidth can be achieved. The output curve of a sensitive vibration unit has superior amplitude frequency response characteristics. This method not only eliminates the limitation of bandwidth and output amplitude of sensitive vibration unit in traditional micro-gyroscope design, but also provides redundancy and preparation of information for data processing of gyroscope with the uninterrupted supply of signals from multiple groups of vibration units. Copy.

【技术实现步骤摘要】
一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪
本专利技术属于惯性导航
，具体涉及一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。
技术介绍
如果一个物体在做线运动的同时进行角运动，那么会产生与线运动方向和角速度方向正交的科里奥利加速度，加速度的大小与线运动速度和角速度成正比。通过读取科里奥利加速度来反应微惯性导航陀螺仪某一特定方向受到的角速度影响，是微惯性导航陀螺仪的基本原理。目前，对于微惯性导航陀螺仪的设计通常采用单激励振动单元和单敏感振动单元的设计。这种设计在过去一段时间内，因其良好的带内增益得到了大量的应用。但随着用户对于陀螺带宽的更高要求，这种利用高增益窄带宽的激励和敏感振动单元频域严格匹配的陀螺设计方式已经不能满足需求。而之后产生的二自由度振动单元的设计能在一定程度上拓展带宽，但其具有牺牲陀螺增益的缺点。研究表明，微惯性导航陀螺仪利用单一的振动单元作为激励(或敏感)单元时，其获得更宽测量频域范围与提高检测幅值的能力是相互限制的。微陀螺设计中典型的振动单元选取分为：单自由振动单元和二自由度振动单元。当选取单自由度振动单元时，采用单一方向振动的弹簧结构连接固定的锚点和激励结构，使得激励结构沿激励方向做一维振动。如图1所示，弹簧结构的胡克系数为k激励，空气阻尼为c激励，激励结构的质量为m，激励力为F激励，列写激励结构的振动方程：分析激励结构的振动方程可以得到，在固定频率正弦激励的作用下，激励结构的幅频响应体现为在固有频率附近具有高增益的曲线，而同时其在偏离固有频率时的响应幅值迅速衰减，造成其具有很窄的3dB带宽。而相比而言选取二自由度振动单元可以有效克服固有频率附近响应幅值衰减过快的弊端，有效拓展带宽。当选取二自由度振动单元时，同样采用单一方向振动的弹簧结构连接激励结构1、激励结构2和固定的锚点，使得激励结构1、激励结构2分别沿激励方向做一维振动。如图2所示，弹簧结构的胡克系数为k激励1、k激励2和k激励3，空气阻尼分别为c激励1、c激励2和c激励3，激励结构1的质量为m1、激励结构2的质量为m2，激励力为F激励，列写激励结构1、激励结构2的振动方程组：通过激励结构的力学分析和动力学方程组可以得到其沿x方向位移x激励1和x激励2的力学表达式，从中可以看出由于二自由度振动单元中引入了三组一维振动弹簧和两组激励结构。所以激励结构2(通常在微惯性陀螺仪设计中作为关键的“动能转移结构”)其幅频特性为具有双峰值的频率响应曲线，在参数设计合理的条件下可以在两组峰值之间形成一个平坦区域，这就构建了拓展的、具有稳定幅值响应的有效带宽范围。可以看到二自由度振动单元对于拓展系统频率带宽效果显著。但是，对比单自由度与二自由度激励单元的幅频响应曲线可以发现二自由度振动单元在中心频率(通常设定为同条件下单自由度激励振动单元的固有频率)的幅值响应增益远低于单自由度振动单元。现有技术的设计并不能解决获得更宽测量频域范围与提高检测幅值相互限制的问题。
技术实现思路
针对现有的微惯性导航陀螺仪存在的不足，本专利技术的目的在于利用单自由度振动单元与二自由度振动单元的各自优势与互补性，设计一种在不同频率范围内可调的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，该陀螺仪包括由第一激励单元1和第二激励单元2构成的二自由度振动单元，所述第二激励单元2包括并列的、且振动方向均与第一激励单元1垂直的第一单元和第二单元，第一单元为二自由度振动单元，第二单元为单自由度振动单元，所述第一单元包括由弹性结构依次固定连接的第一敏感单元3和第二敏感单元4，以及解除第一单元在激励振动单元1振动方向上的耦合振动的转移单元5，所述转移单元5不参与激励振动单元1振动方向上的振动，但在垂直于激励振动单元1振动方向上随第二敏感单元4一同进行振动，所述第二单元包括第三敏感单元6。本专利技术的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其工作原理可参见附图3。微惯性导航陀螺仪包括相互垂直的两组振动模式，为了方便叙述，将激励振动方向设为沿x轴，敏感振动方向设为沿y轴，该陀螺仪检测垂直于xoy平面的旋转角速度Ωz。振动能量在激励单元和敏感单元之间通过科里奥利效应传递，而最终反映在敏感单元的振动中。具有恒定频率的激励力F激励加载在第一激励单元1(m1)上，迫使第一激励单元1和第二激励单元2形成二自由度振动系统沿x轴方向以激励频率进行受迫振动。当第二激励单元2在x方向振动时，通过弹簧结构固连的敏感单元3、敏感单元4和敏感单元6也随第二激励单元2在x方向做等幅的简谐振动。为了解除敏感振动单元工作时与固定锚点之间的耦合，本专利技术创新性的引入了转移单元5对耦合振动进行解耦。转移单元5不参与振动系统的x方向振动，但其可以在y方向上随敏感单元4一同进行振动。第二激励单元2内部包括两组振动敏感单元系统，第一单元和第二单元。第一单元(左侧敏感振动单元系统)包含敏感单元3、敏感单元4和转移单元5。当陀螺仪受到与xoy平面正交的旋转角速度Ωz的作用时，在沿x轴简谐振动的调制作用下，角速度Ωz被调制在科里奥利力中。左侧敏感振动单元系统在科里奥利力的驱动下，沿y方向做简谐振动，而角速度Ωz的幅值和频率均被调制在敏感单元3和敏感单元4的振动响应中，最终被感应电极读取。第二单元(右侧敏感振动单元系统)包含敏感单元6，其同样在科里奥利力的作用下做受迫简谐振动，最终振动形式被对应的感应电极读取。由于本专利技术的陀螺仪设计分为相互正交并且相互耦合的激励方向和敏感方向，所以按照激励方向和敏感方向分别列写微陀螺的振动力学方程，在激励方向激励单元1和激励单元2的振动方程为：其中，m1、m2、m3、m4和m6分别表示激励单元1、激励单元2、敏感单元3、敏感单元4和敏感单元6的质量；c激励1、c激励2、c激励3和c激励7表示对应位置各个单元受到的空气阻尼；k激励1、k激励2、k激励3和k激励7为相应弹簧结构的胡克系数。x激励1为激励单元1沿x方向上振动位移；x激励2为激励单元2沿x方向上共同的振动位移；F激励为作用在激励单元1上的简谐驱动力。在敏感方向由两个敏感振动单元组成，分别是左侧的二自由度振动单元(第一单元)和右侧的单自由度振动单元(第二单元)，左侧二自由度振动单元的振动方程为：其中，m5表示转移单元5的质量；c敏感4、c敏感5和c敏感6表示对应位置各个单元受到的空气阻尼；k敏感4、k敏感5和k敏感6为响应弹簧结构的胡克系数。y敏感3为敏感单元3沿y方向上振动位移；y敏感4为敏感单元4和转移单元5沿y方向上共同的振动位移；为敏感单元3受到的科里奥利力；为敏感单元4和转移单元5共同受到的y方向科里奥利力，由于转移单元4不参与x方向的振动，所以不会产生科里奥利力，敏感单元4和转移单元5所受到的科里奥利力由敏感单元4单独产生。右侧的单自由度振动单元的振动方程为：其中，m6表示敏感单元6的质量；c敏感8表示敏感单元6受到的空气阻尼；k敏感8弹簧结构的胡克系数。y敏感6为敏感单元6沿y方向上振动位移；为敏感单元6受到的科里奥利力。本专利技术将单自由度振动单元和二自由度振动单元同时引入陀螺仪作为复合敏感振动单元，利用不同频率范围内单自由度振动单元和二自由度振动单元的幅频响应特性的差异性和互补性对带宽范围内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括由第一激励单元和第二激励单元构成的二自由度振动单元，所述第二激励单元包括并列的、且振动方向均与第一激励单元垂直的第一单元和第二单元，第一单元为二自由度振动单元，第二单元为单自由度振动单元，所述第一单元包括由弹性结构依次固定连接的第一敏感单元和第二敏感单元，以及解除第一单元在激励振动单元振动方向上的耦合振动的转移单元，所述转移单元不参与激励振动单元振动方向上的振动，但在垂直于激励振动单元振动方向上随第二敏感单元一同进行振动，所述第二单元包括第三敏感单元。

【技术特征摘要】
1.一种多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括由第一激励单元和第二激励单元构成的二自由度振动单元，所述第二激励单元包括并列的、且振动方向均与第一激励单元垂直的第一单元和第二单元，第一单元为二自由度振动单元，第二单元为单自由度振动单元，所述第一单元包括由弹性结构依次固定连接的第一敏感单元和第二敏感单元，以及解除第一单元在激励振动单元振动方向上的耦合振动的转移单元，所述转移单元不参与激励振动单元振动方向上的振动，但在垂直于激励振动单元振动方向上随第二敏感单元一同进行振动，所述第二单元包括第三敏感单元。2.根据权利要求1所述的多检测振动单元微惯性导航陀螺仪，其特征在于，所述第一激励单元、第二激励单元、第一敏感单元和第二敏感单元的中心频率，与第三敏感单元的固有频率以及驱动陀螺仪工作的激励频率相同。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，李鹏程，李津，冉一航，王淑君，杨峰，何中翔，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51