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一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列的制作方法

文檔序號:6184843閱讀:558來源:國知局
專利名稱:一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種基于四自由度微機(jī)械陀螺的陣列結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)
微機(jī)械陀螺的研究開始于上世紀(jì)80年代末,是一種新型的微小型慣性導(dǎo)航元器件。與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和光學(xué)陀螺相比,其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、耗電量小、壽命長、成本低、易集成、可靠性高,能大量生產(chǎn),是未來新型慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的核心元器件之一。目前,微機(jī)械陀螺的研究主要分為單自由度和多自由度兩大類:單自由度微機(jī)械陀螺采用的是1-D0F驅(qū)動結(jié)構(gòu)和1-D0F敏感結(jié)構(gòu),通過驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)的自然頻率匹配來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)同時達(dá)到共振,從而提高陀螺的靈敏度;多自由度陀螺主要是將2-D0F結(jié)構(gòu)(動態(tài)吸振器結(jié)構(gòu),DVA或完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu))應(yīng)用到微機(jī)械陀螺的驅(qū)動模態(tài)或敏感模態(tài),通過2-D0F振動結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)中兩個峰值之間的平坦區(qū)域來提高陀螺的3dB帶寬,從而提高微機(jī)械陀螺的穩(wěn)定性。在多自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)中,動態(tài)吸振器結(jié)構(gòu)(DVA)或完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)解耦的同時,可以提高系統(tǒng)的帶寬,從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增強(qiáng)抗干擾能力。然而在目前公開發(fā)表的多自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)中,2-D0F振動結(jié)構(gòu)模態(tài)的增益相對比較低,這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)整體的靈敏度降低,影響實(shí)際應(yīng)用中陀螺的測量精度。尤其是驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)都采用2-D0F振動結(jié)構(gòu)時,兩個模態(tài)的增益同時降低,嚴(yán)重影響陀螺的整體靈敏度,限制了陀螺的實(shí)際應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏度的四自由度微機(jī)械陀螺陣列。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成,四自由度微機(jī)械陀螺包括驅(qū)動質(zhì)量塊、驅(qū)動靜梳齒、驅(qū)動動梳齒、解耦框架、監(jiān)測質(zhì)量塊、敏感質(zhì)量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒,驅(qū)動靜梳齒和驅(qū)動動梳齒構(gòu)成電容梳齒式驅(qū)動單元,所述驅(qū)動單元設(shè)置在驅(qū)動質(zhì)量塊上,驅(qū)動質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)I通過兩個工形梁相連,驅(qū)動質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁I相連,解耦框架和四個錨點(diǎn)II通過兩個工形梁II連接,構(gòu)成驅(qū)動模態(tài);檢測質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連,檢測質(zhì)量塊和敏感質(zhì)量塊通過四個折疊梁III相連,敏感質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)III通過兩個工形梁III相連,敏感靜梳齒和敏感動梳齒構(gòu)成電容梳齒式敏感單元,所述敏感單元設(shè)置在敏感質(zhì)量塊上,構(gòu)成敏感模態(tài);通過檢測敏感單元的電容變化來計(jì)算外部輸入的角速度,所述的驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍,敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)量塊,各個陀螺單元的驅(qū)動單元和檢測質(zhì)量塊相互獨(dú)立。
本發(fā)明的有益效果在于:通過這種新型的陀螺陣列的形式,將若干4-D0F陀螺單元有效地組合在一起,使得陀螺陣列不僅擁有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性,而且可以有效地提高陀螺陣列的靈敏度。


圖1是本發(fā)明的陀螺單元的結(jié)構(gòu)框架圖;圖2是本發(fā)明的陀螺單元的簡化模型;圖3是本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)框架圖;圖4是本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)簡化模型;圖5是本發(fā)明的驅(qū)動模態(tài)的幅頻響應(yīng);圖6是本發(fā)明的敏感模態(tài)的幅頻響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式該微機(jī)械陀螺陣列結(jié)構(gòu)將若干個新型4-D0F微機(jī)械陀螺單元以一定的方式組合在一起。新型的4-D0F微機(jī)械陀螺單元擁有較好的系統(tǒng)帶寬,而陀螺陣列利用組合的方式,既可以通過4-D0F陀螺單元來提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又可以通過組合來提高系統(tǒng)的靈敏度。一種新的四自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu),由完全的2-D0F驅(qū)動模態(tài)和完全的2-D0F敏感模態(tài)構(gòu)成,基于該四自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種多自由度的微機(jī)械陀螺陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的為基于四自由度微機(jī)械陀螺單元的陣列結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡化模型如圖2所示,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。從圖2可以看出,陀螺陣列由n個四自由度陀螺單元并列的組合在一起構(gòu)成的,其中每個陀螺單元擁有獨(dú)立的2-D0F驅(qū)動模態(tài),由驅(qū)動質(zhì)量塊(1),解耦框架(2),彈簧(5)、(6)、(7)構(gòu)成;在敏感模態(tài),每個陀螺單元擁有獨(dú)立的檢測質(zhì)量塊(3)以及彈簧(8)、(9),而所有的陀螺單元同時共用一個敏感質(zhì)量塊和彈簧(4),各個陀螺單元的檢測質(zhì)量塊(3)通過彈簧(9)與敏感質(zhì)量塊(4)連接在一起,從而使各個陀螺單元以及陀螺陣列的敏感模態(tài)構(gòu)成完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)。完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)可以提高陀螺陣列的系統(tǒng)帶寬,同時起到解耦的作用,而陀螺單元的組合可以提高陀螺陣列的靈敏度。工作方式:首先通過設(shè)置在陀螺陣列中陀螺單元上的電容驅(qū)動梳齒(11)和(12)對陀螺單元的驅(qū)動質(zhì)量塊(I)施加具有相同振幅、頻率和相位的正弦驅(qū)動力,使各個陀螺單元的驅(qū)動模態(tài)產(chǎn)生簡諧振動,從而使解耦框架(2)和檢測質(zhì)量塊(3)在驅(qū)動方向(X)做簡諧振動;當(dāng)有z軸的外部角速度Qz輸入時,由于哥式效應(yīng),產(chǎn)生沿敏感方向(y)的哥氏力分別并作用在各個陀螺單元的檢測質(zhì)量塊(3)上,使各個陀螺單元的檢測質(zhì)量塊(3)沿敏感方向(y)做同步的簡諧運(yùn)動,各個檢測質(zhì)量塊(3)的簡諧振動通過彈簧(9)產(chǎn)生一個合力作用在敏感質(zhì)量塊(4)上,從而使敏感質(zhì)量塊(4)沿敏感方向(y)做簡諧運(yùn)動,通過設(shè)置在敏感質(zhì)量塊(4)上的電容檢測梳齒(13)和(14)來檢測電容的變化,最終計(jì)算出沿z軸輸入的外部角速度Qz。理論依據(jù):從四自由度微機(jī)械陀螺單元的簡化模型(圖2)和陣列結(jié)構(gòu)的簡化模型(圖4)可以看出,陀螺單元和陀螺陣列具有完全相同的驅(qū)動模態(tài),所以它們在驅(qū)動方向的動態(tài)方程是相同的,如下:
權(quán)利要求
1.一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列,由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成,四自由度微機(jī)械陀螺包括驅(qū)動質(zhì)量塊、驅(qū)動靜梳齒、驅(qū)動動梳齒、解耦框架、監(jiān)測質(zhì)量塊、敏感質(zhì)量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒,驅(qū)動靜梳齒和驅(qū)動動梳齒構(gòu)成電容梳齒式驅(qū)動單元,所述驅(qū)動單元設(shè)置在驅(qū)動質(zhì)量塊上,驅(qū)動質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)I通過兩個工形梁相連,驅(qū)動質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁I相連,解耦框架和四個錨點(diǎn)II通過兩個工形梁II連接,構(gòu)成驅(qū)動模態(tài);檢測質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連,檢測質(zhì)量塊和敏感質(zhì)量塊通過四個折疊梁III相連,敏感質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)III通過兩個工形梁III相連,敏感靜梳齒和敏感動梳齒構(gòu)成電容梳齒式敏感單元,所述敏感單元設(shè)置在敏感質(zhì)量塊上,構(gòu)成敏感模態(tài);通過檢測敏感單元的電容變化來計(jì)算外部輸入的角速度,其特征在于:所述的驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍,敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列,其特征在于:所述的四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)量塊,各個陀螺單元的驅(qū)動單元和檢測質(zhì)量塊相互獨(dú)立。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于四自由度微機(jī)械陀螺的陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成,驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍,敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)量塊。通過這種新型的陀螺陣列的形式,將若干4-DOF陀螺單元有效地組合在一起,使得陀螺陣列不僅擁有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性,而且可以有效地提高陀螺陣列的靈敏度。
文檔編號G01C19/5733GK103115620SQ20131002488
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月20日
發(fā)明者王偉, 呂曉永, 李欣, 韓莉莉, 宋鴻儒, 楊博, 趙清, 李強(qiáng), 范岳, 朱瑋 申請人:哈爾濱工程大學(xué)
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