哥氏振动陀螺的灵敏度分析与性能优化研究

摘要

哥氏振动陀螺仪是基于哥氏力原理制成的一类惯性传感器，近几十年来，由于其自身体积小，结构简单，可靠性高，成本低，抗冲击性，可批量生产等特点被人们广泛的应用在消费电子产品，航天航海，军用和民用等领域。虽然哥氏振动陀螺在精度方面没有理论上限，但是在实际应用过程中，由于受温度，加工工艺和电路系统等影响，哥氏振动陀螺精度不高，这也是目前限制其应用的主要因素之一。因此，如何有效地减小误差，提高哥氏振动陀螺的性能一直是研究的难点。本文针对这一问题，主要对哥氏振动陀螺结构优化和温度漂移优化两个问题进行了研究，主要内容如下:
　　 1)基于哥氏振动陀螺的工作机理，同时结合材料力学和弹性力学的基本原理，并以此为基础推导出恒定温度条件下刻度因子的数学模型，为后续陀螺振梁的优化问题提供理论参考。
　　 2)从一个新的角度——哥氏振动陀螺结构，讨论其性能优化问题，综合分析哥氏振动陀螺灵敏度、带宽和刻度因子三个主要性能参数之间的关系，得到最佳振梁长度这一关键结构参数。首先，针对不同长度的陀螺振梁尺寸，利用ANSYS分析软件进行了模态分析和谐响分析，得出各长度梁的振型和固有频率;然后，在此基础上谐响分析计算出输出位移幅度，再结合刻度因子的推导计算，得到不同长度振梁陀螺的刻度因子、机械灵敏度和带宽仿真数据，最后，借助仿真数据的对比分析得出了振梁的最佳长度，同时，还论证了陀螺阻尼系数的变化与机械灵敏度及带宽的关系。
　　 3)采用基于粒子群的BP神经网络算法对哥氏振动陀螺的温度漂移现象进行建模，并在算法中加入高斯噪声干扰;相对于传统的单BP神经网络算法，含有噪声的粒子群—BP神经网络算法，在精度和收敛速度两个方面有了较大提高，所构建的温漂模型具有更好的非线性描述能力，从而能为哥氏振动陀螺提供了更高精度的零电位误差补偿。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 陀螺仪概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 哥氏振动陀螺国内外研究现状

1．2．2 哥氏振动陀螺的分类

1．2．3 哥氏振动陀螺展望与存在的问题

1．3 介绍有限元分析软件ANSYS

1．4 本论文研究背景意义

1．5 本文的研究工作与内容安排

第二章 哥氏振动陀螺原理与机械性能

2．1 哥氏振动陀螺的基本结构与工作原理

2．1．1 哥氏力原理

2．1．2 压电效应

2．1．3 振梁式压电振动陀螺的基本结构

2．1．4 振梁式陀螺在动力学系统的工作原理

2．2 陀螺的数学模型

2．3 振梁式压电陀螺主要性能分析

2．3．1 刻度因子的推导

2．3．2 带宽分析

2．4 本章小结

第三章 哥氏振动陀螺灵敏度分析与结构优化

3．1 引言

3．2 哥氏振动陀螺振梁的ANSYS分析

3．2．1 仿真平台参数设置

3．2．2 陀螺振梁模型的建立

3．3 哥氏振动陀螺振梁的结构仿真

3．3．1 振梁的模态分析

3．3．2 振梁的谐响应分析

3．4 基于哥氏振动陀螺灵敏度分析的最优振梁长度确定

3．5 最优振梁长度下阻尼系数与灵敏度的关系

3．6 本章小结

第四章 基于粒子群-BP神经网络的温漂性能优化

4．1 引言

4．2 BP神经网络概述

4．2．1 BP神经网络结构与原理

4．2．2 BP神经网络的不足

4．3 粒子群算法概述

4．3．1 粒子群算法原理

4．3．2 粒子群算法特点

4．4 基于粒子群算法的BP神经网络改进

4．4．1 基于粒子群算法BP神经网络的思想

4．4．2 基于粒子群算法BP神经网络的实现方案

4．5 基于粒子群-BP神经网络的温漂建模

4．5．1 实验数据的采集与预处理

4．5．2 模型结构与参数的确定

4．5．3 模型验证与结果分析

4．6 本章小结

第五章 总结及展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录A

附录B