现代惯性导航技术.ppt

微机械陀螺仪的基本工作原理、主要特点及应用情况 1. 概述 2.基本工作原理 3.主要特点 4.应用情况 内容提要 微机械陀螺仪（MEMS gyroscope），也叫硅微陀螺仪、微机电陀螺仪，它被誉为指尖上的陀螺仪。 1. 概述 微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。 MEMS 振动结构：线振动结构和角振动结构 材料：硅材料和非硅材料 驱动方式：静电驱动式、电磁驱动式和压电驱动式 检测方式：电容性检测、压阻型检测、压电性检测、光学检测和隧道效应检测 工作方式：速率陀螺仪和速率积分陀螺仪 加工方式：体微机械加工、表面机械加工和LIGA加工方式等 1.1 分类 我国微机电陀螺的研究开始于 1989 年，现在已经研制出数百 微米大小的静电电机和3mm的压电电机。清华大学导航与控制教研组的陀螺技术已十分成熟，发展了高精度静电陀螺的成熟技术，姿态漂移仅为每小时万分之五。并已经掌握微机械与光波导陀螺技术。东南大学“微惯性仪表与先进导航技术”教育部重点实验室也不断进行关键部件、 微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS 组合导航系统的开发研究，满足了军民两用市场的需要。 1.2 我国微机械陀螺仪的发展情况 1. 国内硅微机电陀螺技术在设计理论研究上和国外存在差距 2. MEMS工艺条件和国外相比存在较大的差距，产品加速度敏感性普遍偏大 3. 微弱信号检测及专用集成电路水平和国外相比存在较大的差距 4. 国内硅微机电陀螺仪的工程化水平和国外相比存在较大的差距 1.2 微机械陀螺技术与国外的差距 目前，微机械陀螺仪还属于中、低精度范畴，它们的研制成功将投入更多的军事和商业应用。尤其在军事方面，通过采用微机械陀螺仪技术，可以把制导、导航和控制引入以前未能考虑的一些武器系统中。 1.3 研究现状与研究意义 1. 概述 2.基本工作原理 3.主要特点 4.应用情况 内容提要 基于科氏效应工作 2. 基本工作原理 科式效应 当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，其矢量计算式为： 式中：F(t)是科氏力，m是该物体的质量，Ωz是坐标系旋转的角速度， 是该物体的矢量速度。 框架式微机械振动陀螺仪结构形式 2. 基本工作原理 框架式微机械振动陀螺仪的控制系统框图 2. 基本工作原理 利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统。 1. 概述 2.基本工作原理 3.主要特点 4.应用情况 内容提要 与现有机械转子式陀螺仪或光学陀螺仪相比，其主要特点如下： 体积和能耗小 成本低廉，适合大批量生产； 动态范围大，可靠性高，可用于恶劣力学环境； 准备时间短，适合快速响应武器； 中低精度，适合短时应用或与其他信息系统组合应用； 由于硅材料固有的温度敏感性，需要对硅微陀螺仪的温度特性作特别处理。 3. 主要特点 分辨率 陀螺仪能检测的最小角速度。 零角速度输出（零位输出）、灵敏度、测量范围 这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力。 分辨率与零角速度输出是由陀螺仪白噪声决定的。 3.1 主要性能参数 1. 概述 2.基本工作原理 3.主要特点 4.应用情况 内容提要 4. 应用情况 Thank you!