多自由度微陀螺带宽及灵敏度优化设计方法研究

摘要

微机械陀螺仪由于体积小、重量轻、动态性能好、能耗少、成本低、可靠性高、易于数字化、智能化和集成化等优点，在微机电系统中有着不可替代的作用，已经被广泛地应用于各个领域，如汽车工业、安全防护、动态车辆控制，汽车安全系统，高性能导航与制导系统和交互式消费电子产品等。众多的研究人员也把追求更高精度以及响应更加稳定的微陀螺作为今后研究的重点。传统的单自由度微陀螺的精度和稳定性已经不能满足现在社会各方面的需求，在单向解耦以及双重解耦的模型出现之后，共振频率需要严格匹配以及正交误差等缺陷虽然已经有所缓解，但未从真正意义上提升微机械陀螺仪的精度和稳健性，增加微陀螺的自由度数可以提升微陀螺的稳定性，但因为过多的弹性梁和振子质量块等导致结构参数的选取变得困难。为了将这众多的结构参数进行最佳匹配，在获得理想带宽的前提下获得高稳定性、高灵敏度的微陀螺，本文以双检测多自由度微陀螺为研究对象对多自由度微陀螺的优化设计方法进行了研究。 提出了一种特征提取与正交实验法相结合的优化设计方案。首先对微陀螺检测方向振动系统振子质量比、结构频率比以及阻尼比对微陀螺灵敏度及带宽的影响进行定性分析，在定性分析的基础上对其影响特征进行动力学特征提取，得到设计参数的变化对微陀螺系统性能的影响规律，然后在此基础上应用正交实验法对所选的特征参数进行多因素多水平分析以优化微陀螺的灵敏度和带宽，优化后微陀螺的灵敏度相对于二次序列规划算法仅有微小提升，但带宽确增加了1590Hz。优化结果表明将基于特征分析的正交实验法用于微陀螺的灵敏度和带宽的优化设计可显著提升微陀螺的工作带宽。 为了更好地解决微陀螺多目标优化问题，同时也为解决正交试验法因权重系数人为选取导致优化结果难以确定的局限性，采取动力学特征提取、响应面分析法和遗传算法相结合的方法对多自由度微陀螺的灵敏度和带宽进行了优化设计。首先用中心复合试验设计选取20个试验点，然后通过动力学特征提取控制试验点的范围，根据试验结果拟合二阶多项式来近似表达目标函数；在响应面二阶多项式模型的基础上，基于遗传算法来解决多目标的优化问题，经过遗传算法一系列的优化过程，结果显示该优化方法获得的灵敏度和带宽与二次序列规划算法相比分别提升了19dB和2174Hz。 本文提出的改进的优化算法可以为多自由度微陀螺灵敏度及带宽的优化设计提供一定的理论基础，同时所提出的基于特征提取确定约束条件的方法也为今后微陀螺优化设计方法中约束条件的确定提供了理论指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究课题的目的和意义

1.2微陀螺研究现状

1.3主要研究内容和创新之处

第二章 微机械陀螺仪的理论分析

引言

2.1科氏效应和微机械陀螺仪的工作原理

2.2多自由度微陀螺的动力学方程和响应振幅

2.3 微机械陀螺仪的灵敏度和带宽

2.4本章总结

第三章 多自由度微陀螺的特征提取和正交试验法优化设计

引言

3.1正交试验法简介

3.2双检测微陀螺系统振幅无量纲处理

3.3 多自由度微陀螺的特征提取

3.4 正交试验法优化单驱动双检测微陀螺

3.5试验结果的分析

3.6本章小结

第四章 基于响应面法对微陀螺系统约束条件的优化

引言

4.1研究技术路线

4.2.响应面法应用背景以及中心复合试验设计（CCD）

4.3响应面法优化多自由度微陀螺

4.4二次响应面模型的建立以及验证

4.5优化结果分析

4.6 本章小结

第五章 基于多目标优化遗传算法的多自由度微陀螺结构参数的优化

5.1遗传算法的概述

5.2 遗传算法的运行过程

5.3 多目标优化和遗传算法的MATLAB代码实现

5.4 本章总结

第六章 工作总结和工作展望

6.1 工作总结

6.2 研究内容的展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢