文档介绍：硕士学位论文
基于虚拟微陀螺技术的惯性稳定平台的
研究
RESEARCH OF INERTIALLY STABILIZED
PLATFORMS BASED ON VIRTUAL MEMS GYRO
TECHNOLOGY
尹作刚
哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号:TP273 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
基于虚拟微陀螺技术的惯性稳定平台的
研究
硕士研究生: 尹作刚
导师: 严质彬教授
申请学位: 工学硕士
学科: 控制科学与工程
所在单位: 控制理论与制导技术研究中心
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP273
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Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
RESEARCH OF INERTIALLY STABILIZED
PLATFORMS BASED ON VIRTUAL MEMS GYRO
TECHNOLOGY
Candidate: Yin Zuogang
Supervisor: Zhibin
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: Center for Control Theory and
Guidance Technology
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
MEMS 陀螺作为一种很有潜力的角速度敏感测量元件,与传统的陀螺相比没
有高速转子,不存在机械磨损、质心失衡等现象;与光纤陀螺、激光陀螺相比具
有体积小、成本低、功耗小的优点,本文正是在这样的背景下研究如何采用低成
本的 MEMS 陀螺惯性元件来得到高精度的角速度敏感值;另一方面 MEMS 陀螺作
为光电惯性稳定平台的测量反馈元件,将四框架两轴的光电惯性稳定平台作为研
究对象,并将其稳定控制技术作为另一研究问题。
论文对 MEMS 陀螺系统从可靠性角度进行分析,得出了对此系统配置的一种
方案——虚拟陀螺系统;针对单个陀螺通过采用 Allan 方差进行随机误差建模,将
Allan 方差作为一个随机变量,从统计学的角度得到离散情况下的 Allan 方差的数
字统计特征,然后基于 Gauss-Markov 定理进行辨识得到随机误差项的关键系数,
通过仿真验证了此方法的辨识是有效的,同时也验证了得到的 Allan 方差数字特征
是正确的;应用虚拟陀螺技术将阵列陀螺作为一个子系统进行 Kalman 滤波数据融
合,达到对输入角速度的高精度敏感值,虚拟动态滤波器的仿真设计证明了方法
的有效性,敏感值在一定程度上得到了提高。
另一方面,建立了两轴四框架的运动学和动力学模型,得到了框架系统的控
制系统框图。针对稳定平台的跟踪稳定系统的稳定控制回路,着重考虑了低速爬
行下的视轴“抖颤”现象并探讨了其原因,在传统 PI 控制器的基础上设计了基于
模型参考自适应控制的补偿器对非线性库伦摩擦进行补偿,仿真结果表明此设计
得到的混合控制器不仅能有效的进行了非线性摩擦补偿,而且具有抑制外界干扰
的能力和对外界系统参数变化时的所具有的自适应性。
关键词:微机电陀螺;虚拟陀螺技术;参数辨识;随机误差建模;Allan 方差;惯
性稳定平台;模型参考自适应控制
I
Abstract
Abstract
A MEMS gyroscope as a kind of potential ponents measuring angular
velocity, has no high-speed rotor, no mechanical wear, and no mass imbalance
pared with traditional gyros, but has an advantage of