【硕士论文】振动轮式硅微陀螺仪信号检测与数据处理方法研究.pdf

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1、东南大学博士学位论文振动轮式硅微陀螺仪信号检测与数据处理方法研究姓名：周顺申请学位级别：博士专业：精密仪器及机械指导教师：周百令20000301东南大学博士学位论文摘要本论文的研究目的主要在于：通过对硅微陀螺仪工作原理及信号特征的分析，提出一套适用于振动轮式硅微陀螺仪的信号检测方法，陀螺仪机械结构受激谐振控制方法及敏感模态反馈控制方法，初步探讨振动轮式硅微陀螺仪输出信号的数据处理方法，从而推进我国硅微陀螺仪的进一步发展，为硅微陀螺仪走向实用奠定基础。本论文的主要内容归纳如下：1)振动轮式硅微陀螺仪理论分

2、析及信号特征研究。从动力学的角度详细分析了振动轮式硅微陀螺仪的两个工作模态：驱动模态和敏感模态，建立了系统运动的模惫方程。指出驱动模态和敏感模态运动规律都是衰减振动和简谐振动的复合运动；而且其振动频率都由驱动信号的频率决定。当驱动信号的频率与驱动模态、敏感模态的谐振频率一致时，振动轮式硅微陀螺仪的驱动模态、敏感模态均处于谐振状态，此时输出信号最强，系统检测灵敏度最高。同时建立了敏感模态电容相对变化量和外框架沿Y轴扭转角、输入角速度之间的数学关系。简要分析了影响振动轮式硅微陀螺仪性能的几个主要因素，为硅微

3、陀螺仪的信号检测和信号处理提供了理论依据。2)振动轮式硅微陀螺仪模态控制和信号检测方案根据振动轮式硅微陀螺仪的运动规律和信号特征，对振动轮式硅微陀螺仪的驱动控制方法、敏感模态信号检测和反馈控制方法进行了探讨。首次提出驱动模态闭环控制、频率跟踪的设计指导思想。针对振动轮式硅微陀螺仪敏感模态与驱动模态固有频率不一致的特点，首次提出静电刚度、静电阻尼组合反馈的模态控制思想，提出了利用刚度反馈调节敏感模态的谐振频率和利用阻尼反馈调节系统检测范围的多参量控制方法：并对敏感模态中静电刚度反馈校正环节和静电阻尼反馈的

4、校正环节进行了详细的分析，建立了两个校正环节理论计算公式。3)振动轮式硅微陀螺仪敏感模态模态控制和信号检测电路提出振动轮式硅微陀螺仪信号检测电路的实现方法，建立了振动轮式硅微陀螺仪分布电容干扰模型，指出影响振动轮式硅微陀螺仪信号的主要因素是随机分布的杂散电容；为了降低前置检测电路的输入干扰噪声，在电路设计中引八相关双采样电路：设计了基于相干检测的振动轮式硅微陀螺仪微弱信号检测电路；并对敏感模念闭环控制和检测电路进行分析和仿真实验，分析结果验证东南大学博士学位论文了上述方法的有效性。4)单神经元模糊控制在

5、驱动模态闭环控制中的应用研究提出基于单神经元模糊控制的闭环驱动控制方案。在分析驱动模念输出信号变化规律的基础上，根据驱动模态输出信号的特征对模糊控制的输入输出空间进行了分均匀分割，建立了被控对象的模糊控制规则集；采用加权组合法实现了模糊控制输出信号的清晰化。在实用方案漫计中，对输入输出空间进行离散化处理，建立用于驱动模念控制的实时查询控制表。为增强系统的自学习和自适应能力，引入单神经元调节系统，调整系统模糊控制查询表，对丢失的信息进行补偿，增强了控制系统的鲁捧性。最后的仿真实验验证了模糊控制方法的有效性

6、。5)基于三重相关的混合电路滤波方法研究根据硅微陀螺仪输出信号和干扰信号的相关性特点，首次将三阶相关分析理论引入到硅微陀螺仪输出信号处理中。在分析相关检测基本原理的基础上，讨论了基于三阶相关分析和三阶谱分析的两种滤波方法，指出二者在滤波原理上的一致性：并分析了基于三阶相关的信号重构方法。在此基础上提出基于模拟电路和数字信号处理技术的三阶相关滤波方法。最后通过仿真实验验证了三阶相关滤波技术在消除陀螺仪输出信号背景干扰噪声方面的有效性。关键词：微机械电子系统，振动轮式硅微陀螺仪，动力学方程，驱动模态，敏感模

7、态，谐振频率，灵敏度，模念控制，微弱信号检测，静电刚度反馈，静电阻尼反馈，校正，分布电容，相关双采样，相干检测．模糊控制，单神经元，三阶相关东南大学博士学位论文Abs订actWiththedevelopmentofMicro—Electro—MechanicalSystemrMEMS)，inertialinstrumentshaveseensignificantprogressoverthepastdecades．Theadvantagesoflow—cost．10w—power,smallsize，b

8、atchfabricationmakeMENIS—basedinertialsensorssuchasaceelerometerandgyroscopehaveawiderangeofapplicationinautomotive，computer,andnavigationmarkets．PriorworkhasfocusedORthedynamicsandoutputsignalcharacterofthesiliconvibrator