基于微型超声电机旋转调制的MEMS导航系统

摘要

受限于微纳卫星体积和功耗的约束，星上往往使用低成本低性能的系统，从而大大限制了微纳卫星的应用推广。本文利用高精度、大转矩的微型超声电机转台来旋转调制低成本、低精度的MEMS惯性陀螺，从而构成微型旋转式MEMS导航系统，以实现低成本惯导系统的高精度应用。
　　首先，调研了国内外针对旋转调制导航系统研究的现状，分析了目前常用的旋转调制导航系统的理论模型，对不同旋转调制方案以及旋转调制效果影响因素进行了仿真和分析，提出了适用于低精度MEMS导航系统的优选调制方案；在四元数姿态运动学的基础上推导了旋转调制陀螺在卫星姿态测量系统中的应用模型，并仿真验证了旋转调制技术能够提高MEMS陀螺测量精度一个数量级以上；
　　其次，理论分析了调制转台控制精度对旋转式导航系统精度的影响，提出了高精度转台是提高旋转调制效果的关键技术之一；本文利用新型的超声电机研制了高精度、无磁微型旋转调制转台，并采用工程经验的增量式PID控制技术实现了转台的非线性控制，转台角速度精度达到10-3量级，角位置误差在0.01°量级，响应时间优于40＂，且往复旋转重复性很好；
　　最后，利用研制的超声电机转台和ADI惯性测量组件等搭建了微型旋转调制导航系统，并进行了系统测试，结果验证了旋转调制陀螺能够提高姿态测量精度，扩展了MEMS惯性组件在航空航天领域的应用范围，为研制适用于微纳卫星的低成本、中高精度的导航系统提供了理论依据，对推动其发展具有一定的作用。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋转调制导航系统的概述和发展

1.3 MEMS惯性技术的发展和应用

1.4 超声电机技术的发展和应用

1.5 本文主要研究内容

第二章 旋转调制MEMS捷联导航系统分析与仿真

2.1 引言

2.2 旋转调制MEMS导航系统原理

2.3 软件算法的具体实现

2.4 MEMS微型旋转调制导航系统方案研究及仿真分析

2.5 本章小结

第三章 基于微型超声电机的旋转调制转台设计与实现

3.1 引言

3.2 转位机构对旋转调制的影响

3.3 基于超声电机调制转台的研究

3.4 本章小结

第四章 旋转调制陀螺测量卫星姿态的建模与仿真

4.1 引言

4.2 陀螺测量卫星姿态原理及误差分析

4.3 旋转调制陀螺测量卫星姿态

4.4 旋转调制陀螺测量姿态仿真

4.5 本章小结

第五章 旋转调制导航系统的搭建与测试

5.1 引言

5.2 试验设备

5.3 旋转调制导航系统测试

5.4 旋转调制陀螺卫星姿态测量系统测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文