弹载微惯性测量单元减振系统的设计与优化

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1、万方数据硕士学位论文弹载微惯性测量单元减振系统的设计与优化1绪论1．1研究意义惯性传感器【l】】【2】【31是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器，其包括加速度计和陀螺仪。传统惯性传感器由于体积大、质量重、成本高等原因，限制了其应用范围。因此，惯性传感器的小型化、集成化成为惯性传感器发展的一个主要方向。随着微机电系统(Micro．Electro．MechanicalSystems，MEMS)技术的发展，出现了新一代的MEMS惯性器件，它们具有体积小、可靠性高、适合大批量生产的特点。由MEMS惯性器件组建的捷联惯性导航系统(StrapdownInertialNav

2、igationSystem，SINS)，在传感器级别上可实现冗余结构，且惯性敏感元件便于安装、维护和更换，因此基于MEMS的捷联惯性导航系统具有高可靠性、低成本、小型化、数字化等特征，其应用领域越来越广泛。近年来，对制导弹药打击目标的精度要求越来越高，弹载制导系统的研究也随之深入。由于武器弹药有着严格限制的重量和尺寸，因此基于微惯性测量单元(MiniatureInertialMeasurementUnit，MIMU)的弹载制导系统成为制导弹药的一个研究热点。但是，由于MIMU在弹载应用时，弹体发射及飞行时会产生强烈的振动以及巨大的冲击加速度，因此会造成微惯性器件性能的降低，

3、甚至结构上的损坏。为弹载MIMU设计性能良好的减振系统可以大幅减小振动、冲击对MIMU的不利影响，保证制导系统的正常工作，因此，开展相关的研究工作具有重要的工程实用价值及一定的理论意义。1．2MIMU减振系统的研究现状目前，专门研究基于微惯性传感器的MIMU减振的文献较少，大多数文献是针对惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMU)的减振设计。考虑到两者的减振原理较为相似，因此这些文献在MIMU减振系统设计研究时具有较大的参考价值。IMU减振系统研究主要包括IMU振动特性的研究、IMU安装支架的设计研究、减振器结构形式的研究、振动系统有限元仿真的研

4、究等。相关研究工作的研究现状总结如下。1．2．1IMU振动特性的研究在文献资料上，有关国外惯导系统减振设计的相关研究与工程实践的报道相对较少。美国激光陀螺惯导系统减振设计研究起步较早，利顿海军公司采用Honeywell公司的环形激光陀螺成功的为斯宾塞海军舰艇分队制造出了第三代海军惯性导航系统MK39Mod3C。系统中选用的三个激光陀螺的抖动频率分别为525Hz、565Hz和620Hz，万方数据1绪论硕士学位论文该系统采用被动振动控制方法，使系统的固有频率远离环形激光陀螺的抖动频率，成功的将陀螺的耦合振动抑制在了允许范围内【4J15J。文献[6]通过优化激光陀螺抖动频率，提高

5、了激光陀螺的输出精度。在该论文中，Steinberg对电子设备以及电子机柜振动系统的振动和冲击问题进行了大量的理论研究，并且在一定程度上介绍了电子设备的减振方法。文献[7]介绍了在剧烈简谐振动情况下敏感电子设备的减振保护。指出电子元件的稳定性不仅取决于电子平台受到的外部振动，更取决于内部元件频率范围较宽的轻微振动。所提出的设计方法的侧重点是电子设备的动态特性和内部敏感元件的响应。论文中将质量大且刚性小的电子平台作为一阶减振，以内部敏感电子元件在电子平台的位移范围内受到的振动最小为目标，为减振器选择了合适的弹性阻尼特性参数。采用了一种解析方法来描述变形过程，并通过实验验证，结

6、果表明计算值和实验值二者吻合较好。俄罗斯和乌克兰的科研单位对激光陀螺组成的IMU的结构动力学设计进行了较为深入的研究，通过运用经典弹性力学理论，设计出了一套IMU结构评价和分析软件，优化配置陀螺抖动频率来抑制耦合抖动。将惯性元器件简化为质量块，减振器简化为弹簧和阻尼器，构成六自由度振动系统。优化安装支架惯量、各角振动刚度、弹簧刚度以及阻尼系数等，可以抑制陀螺输入轴上的振动耦合，减少耦合振动对陀螺抖动的随机规律影响，从而降低陀螺动态精度的损失，该方法可以有效降低角振动耦合，模型简单方便，计算成本低瞄J。Honeywell公司的ToddBraman和OwenGrossman曾多

7、次成功的为MIMU设计减振系统，从这些案例中，他们总结出了几个设计要点。首先设计者需要了解MIMU的工作环境，MIMU在其中的响应，以及其精度将会受到怎样的影响。然后设计者根据以上分析，决定减振系统的固有频率以及品质因数(对应于阻尼比)，以使MIMU的测量可以达到要求的精度。固有频率以及品质因数确定以后，就要为减振系统设计合适的几何形状以使其便于安装且满足尺寸质量要求，MIMU的质量属性以及减振器的布置模式也十分重要【91。国内也有许多机构开始对惯导系统的减振进行相关研究。国防科技大学刘恒春在1995年指出，减振器