基于振动理论的微惯性测量元件

　　1　引　　言

　　惯性测量元件(IMU Inertial Measurement Unit)包括陀螺仪和加速度计,用于测量载体相对惯性空间的角运动和线运动信息,是构成惯性导航系统(INSInertial Navigation System)的核心部件,同时也是解决制导、定向和运动载体控制的关键部件,在军事和民用相关领域获得了广泛应用。加速度计由于技术实现相对简单,目前基本能满足各种系统对其精度的要求,而陀螺仪由于技术复杂且其漂移对导航系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数,且高精度的陀螺仪制造困难、成本高昂,因此惯性技术界一直在寻求各种有效的技术方法来提高陀螺仪的精度同时降低其制造成本。这方面的技术一种是在刚体转子陀螺仪基础上,从其支承的摩擦问题着手不断改进其轴承和支承方式;另一种技术途径是利用现代物理学的技术成果,寻找敏感物体相对惯性空间角运动的各种物理效应,光学陀螺仪就是其中的典型代表。与此同时人们一直在利用经典力学理论与近代科技成就相结合进行新的探求,基于振动理论的微惯性测量元件可以说就是这种探求的结果。

　　2　微型振动陀螺仪

　　基于振动理论的振动陀螺仪主体是一个做高频振动的构件,由于它没有高速旋转的转子和相应的支承系统,结构简单、可靠性高、体积小、成本低、具有激光陀螺仪所具有的技术优势,因而受到广泛的关注,是80年代末期机械类陀螺仪报道最多的一类。

　　振动陀螺仪的共同机理是利用高频振动的质量在被基座带动旋转时,所产生的哥氏(Coriolis)效应来敏感角运动的。目前有音叉振动陀螺仪、压电振动陀螺仪、壳体谐振陀螺仪等形式,在各类振动陀螺仪中尤其以半球谐振子陀螺仪(HRG Hemispherical ResonatorGyro)最引人注目,美国台尔卡(Delco)仪器公司所生产的HRG已达到了惯性级的技术要求[2]。半球谐振子陀螺仪是根据一百多年前剑桥大学布瑞安(G.H.Bryan)教授关于杯体振动理论研制成功的。该理论指出半球型的杯体绕着杯的中心线旋转时,其四波腹振动图案将发生偏转。布瑞安教授进一步分析这种现象后指出振动图案偏转的机理乃是哥氏效应,不过圆环振型各点的速度是不相同的,对其几个特殊点分析就可以看到,哥氏惯性力将使半球在角速度作用下的振型转动。同时他还证明了陀螺的增益和比例因子与材料无关,而仅仅是薄壳体上产生的应力波振荡模的函数,后来研究证明半球谐振子陀螺仪具有很精确的比例因子(不确定性小于1ppm)和令人满意的随机漂移及偏置稳定性。HRG外形如图1所示,谐振外壳由石英材料制成,直径一般为15～60mm,其边缘具有均匀槽口,精确修正槽口可以使振子达到动平衡要求,使各方面的振荡相等,力发生器用于对振子激振并形成精确的四波腹振型,当此半球绕其轴线以一定的角速度旋转时,这个四波幅振型将相对壳体产生与输入轴转角成比例的角度。由于陀螺仪结构简单,适合批量生产,目前的精度可以与RLG相比拟,且被认为比RLG更具有竞争优势。