一种欠驱动mems角速度陀螺的设计方法

文档序号:6402018阅读:348来源:国知局
专利名称:一种欠驱动mems角速度陀螺的设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于欠驱动技术的MEMS角速度陀螺的设计方法,具体说是提出了一种三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺的设计方案。
背景技术
传统的单轴MEMS角速度陀螺采用单一谐振子进行设计,驱动运动与敏感运动存在模态耦合,并工作于共振模式,使传感器对温度、气压、阻尼等环境变化十分敏感,传感器的工作性能不能满足航空航天领域导航水平的需要。同时MEMS角速度陀螺通常采用梳状静电微机械致动器进行振动驱动,为提高传感器的灵敏度,需要较大的输入振动振幅。静电力是驱动电压的非线性函数,梳状静电微致动器的大幅运动存在“下拉”非线性动力学现象,会导致静电为致动器的正负电极接触发生短路。静电驱动还存在静电刚度软化现象,使传感器的输出产生严重的非线性现象
发明内容
鉴于以上技术问题,本发明的目的是为提供一种基于欠驱动技术的MEMS角速度陀螺的设计方法,该方法可提高MEMS角速度陀螺传感器的综合性能。本发明将敏感谐振频率置于双驱动谐振频率之间,提高传感器性能对结构参数变化的鲁棒稳定性。本发明将三个谐振子在静态平衡位置时的质心重合,大大简化了系统动力学模型的复杂性。本发明使解耦框架的结构刚度得到保证的基础上其质量尽量小,能提高驱动输入的频率带宽。本发明提出

图1所示的设计方案,在设计方案中有三个谐振子,其质量分别为"I,■/,*2。其中谐振子》1通过刚度为黾的弹簧与传感器的基座相连,谐振子%通过刚度为*i的弹簧与谐振子"I相连。谐振子》3通过刚度为~的弹簧与谐振子■/相连。通过设计使弹簧*t和的受力方向平行,并与弹簧*^的受力方向垂直。假设谐振子处于气压环境,受到一定的粘性摩擦力,并且摩擦力可通过速度阻尼器进行刻画。各阻尼器的摩擦系数分别为^^。通过合理结构设计,使三个谐振子在静态平衡位置时的质心位置重合。图1中坐标系O1-XjVr与传感器的基座固连,坐标系为惯性坐标系。设两坐标系原点之间的距离为 ,矢径完与坐标轴Z之间的夹角为《。设坐标系Oj1-XV在xV平面上的转动角度为0。则可定义图1所示三谐振子系统的广义坐标为%今.知,其中今定义为谐振子《I在坐标系Z-xV中的位移,巧定义为谐振子《/相对于*1的位移为定义为谐振子%在坐标系Oe-XjVi中延:Fb轴方向的位移。则谐振子《!和.2的质心坐标可分别表示为
权利要求
1.提出一种三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺的设计方案,该方案采用双驱动振子,单敏感振子设计方式,其中双驱动振子具有两个谐振峰。
2.根据权利要求1所述的三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺,其特征在于:通过结构设计将敏感谐振频率置于双驱动谐振频率之间,提高传感器性能对结构参数变化的鲁棒稳定性; 根据权利要求1所述的三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺,其特征在于:所述步骤(I)中通过结构设计使三个谐振子的质心重合,大大简化系统动力学模型的复杂性; 根据权利要求1所述的三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺,其特征在于:所述步骤(2)中通过结构设计,使解耦框架的结构刚度得到保证的基础上其质量尽量小,能提高驱动输入的频率带宽; 根据权利要求1所述的三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺,其特征在于:所述步骤(3)中,建立欠驱动三自由度谐振子动力学建模的拉格朗日第二方程方法; 根据权利要求1所述的三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺,其特征在于:所述步骤(4)中建立双驱动谐振子的共振频率计算公式。
全文摘要
本发明涉及一种基于欠驱动技术的MEMS角速度陀螺的设计方法,更具体地,提出了一种三自由度梳状静电驱动MEMS角速度陀螺的设计方案。在该方案中,包含了双驱动振子和单敏感振子,其中双驱动振子具有两个谐振峰,通过结构设计将敏感谐振频率置于双驱动谐振频率之间,提高传感器性能对结构参数变化的鲁棒稳定性。该方案给出了欠驱动三自由度谐振子动力学建模的拉格朗日第二方程方法和双驱动谐振子的共振频率计算公式。通过结构设计使三各谐振子的质心重合,大大简化系统动力学模型的复杂性,使解耦框架的结构刚度得到保证的基础上其质量尽量小,能提高驱动输入的频率带宽。
文档编号G06F17/50GK103177164SQ20131012887
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者何广平, 狄杰建, 袁俊杰, 赵全亮, 徐喆 申请人:北方工业大学, 何广平
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