基于MEMS陀螺的旋转及非旋转载体姿态解调研究

论文摘要

无驱动结构的硅微机械陀螺是一种基于哥氏力效应的新型角速度陀螺，它自身没有驱动结构，而是利用旋转载体的旋转作为驱动力矩，来敏感旋转载体的俯仰、偏航和自旋角速度，可广泛应用于诸如旋转弹等高速旋转体的姿态检测。但是，由于无驱动结构的硅微机械陀螺只有在载体自旋和偏航(或俯仰)运动都存在的情况下才有信号输出，因此，该种陀螺不适合用于非旋转载体。此外，当载体自旋速度较低时，无驱动结构硅微机械陀螺输出信号噪声较大，有效信号提取比较困难。本文针对无驱动结构硅微机械陀螺在应用范围方面的不足，提出解决方案，研发了一种新型硅微机械陀螺仪，并对陀螺输出信号进行了分析，以及信号分离解算算法进行了一些研究工作。本文的创新工作包括以下具体内容：1.研发了一种新型硅微机械陀螺仪：即在无驱动结构陀螺上，通过加载电机驱动提供自旋角速度，产生陀螺效应，来敏感非旋转载体或旋转载体的各种姿态信息。并对该陀螺仪因连接组件多带来的输出信号噪声干扰大，如何提高信噪比，优化结构设计做了大量的研究工作；2.对研发的新型陀螺输出信号进行了分析研究，对陀螺输出信号及重力加速度计参考信号做FFT算法频谱分析，得到电机驱动频率、载体自旋频率以及二者的自旋合成频率与偏航和俯仰合成运动频率之间的关系；3.同时，针对新型硅微机械陀螺仪信号分离解算算法进行了研究，提出两种偏航和俯仰姿态解调算法（利用相位差及Hilbert变换求包络、正交分解解调算法和移相、相乘解调低通滤波算法）及旋转载体的自旋角速度求取算法；4.基于上述研究，设计并实现了小尺寸DSP信号处理电路的新型硅微机械陀螺样机，并利用三轴转台模拟旋转和非旋转载体对样机进行了测试，测试结果表明，该陀螺仪可以将同时敏感的自旋、偏航和俯仰三个角速度直接以数字量或通过D/A转为模拟量输出，供设备监测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 微机械陀螺在国内外研究现状
• 1.3 微机械陀螺分类
• 1.4 论文的研究对象、内容和方法
• 1.4.1 研究对象
• 1.4.2 需要解决的问题
• 1.5 本论文的章节安排
• 第2章 硅微机械陀螺仪结构与工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 新型陀螺仪总装结构
• 2.3 硅微机械陀螺的结构及工作原理
• 2.4 陀螺仪其他部件的结构及工作原理
• 2.4.1 驱动电机
• 2.4.2 精密导电滑环
• 2.4.3 角接触球轴承及弹性膜片联轴器
• 2.5 本章小结
• 第3章 硅微机械陀螺输出信号分析
• 3.1 陀螺信号分析测试装置
• 3.2 陀螺零位输出噪声分析
• 3.3 新型陀螺仪输出信号频谱分析
• 3.4 微机械陀螺输出函数分析
• 3.5 陀螺信号中载体偏转方向判定
• 3.6 本章小结
• 第4章 硅微机械陀螺输出信号解调算法
• 4.1 引言
• 4.2 相位差及 Hilbert 变换解调算法
• 4.2.1 相位差和刻度因子
• 4.2.2 信号滤波算法、包络求取及仿真
• 4.2.3 偏航俯仰角速度和角位置求取
• 4.2.4 仿真实验
• 4.3 移相、相乘解调及低通滤波算法
• 4.3.1 相乘解调原理
• 4.3.2 仿真实验
• 4.4 载体的自旋角速度解算
• 4.5 本章小节
• 第5章 陀螺输出信号 DSP 解调
• 5.1 陀螺输出信号实时解调硬件电路部分
• 5.1.1 DSP 电路板介绍
• 5.1.2 数据采集模块
• 5.1.3 数字信号处理模块
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 软件总体架构
• 5.2.2 主程序
• 5.2.3 初始化模块
• 5.2.4 看门狗模块
• 5.2.5 中断模块
• 5.2.6 数据处理子程序
• 5.3 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A DSP2812 解调电路原理图
• 附录 B AD977 采样程序
• 附录 C AD5754 数模转换
• 个人简历、在读期间发表学术论文与研究成果