[發明專利]一種諧振式微陀螺多模態協同控制方法、系統及諧振式微陀螺

有效

• 申請號: 202010358640.5
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號: CN111536994B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 李青松;吳學忠;路闊;肖定邦;吳宇列;侯占強;周鑫;張勇猛;卓明;孫江坤;許一;王鵬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C19/56
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發明公開了一種諧振式微陀螺多模態協同控制方法、系統及諧振式微陀螺，該方法包括：系統控制參數產生驅動控制信號和檢測控制信號經調制后加在驅動、檢測電極上，發出低階激勵信號激勵諧振結構在工作模態振動；陀螺正常工作后，預設泵浦參數產生泵浦信號加在泵浦電極上，發出邊帶激勵信號，激發高階耦合模態；對陀螺工作模態運動狀態分析得到實時品質因數；在實時品質因數與目標之差大于閾值時，根據陀螺響應信號對驅動控制參數、檢測控制參數以及泵浦參數進行調整，并重復以上步驟，直到實時品質因數與目標之差達到閾值；完成品質因數的調整。用于解決現有技術中不能對陀螺品質因數進行動態調控等問題，實現調控并提高陀螺機械靈敏度。

技術領域

本發明涉及諧振式微陀螺技術領域，具體是一種基于模態耦合效應的諧振式微陀螺多模態協同控制方法、控制系統及包含該控制系統的諧振式微陀螺。

背景技術

諧振式微陀螺儀是測量載體相對于慣性空間旋轉運動的角速度的傳感器，也是運動測量、慣性導航、制導控制、智能控制等應用領域中的基礎核心器件。隨著其結構設計和加工制造等相關技術的發展，諧振式微陀螺儀廣泛應用于軍事和商業領域。諧振式微陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等顯著的結構優勢，特別適用于需求量大、追求成本低的應用領域。研究和發展高性能諧振式微陀螺儀，滿足發展工業裝備和國防力量的迫切需求，具有重要的意義和應用價值。

諧振式微陀螺作為一種利用科里奧利力效應敏感外界角速度變化的諧振器，其基本工作原理基于1853年由法國科學家科里奧利提出的哥氏效應，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生偏移的一種描述。諧振式微陀螺在不同的頻段具有多個振動模態，在其本征模態頻率處諧振器的響應將得到放大。諧振式微陀螺主要利用兩個互為正交關系的模態作為驅動模態和檢測模態來敏感外界角速度的信息，其性能與工作模態的特性息息相關。以嵌套環式諧振式微陀螺為例，其主要工作原理如圖1所示：諧振結構在橢圓模態保持恒幅振動，參見圖1箭頭左側的視圖；當角速度作用于諧振結構軸向時，諧振結構上所有的運動微元均受到哥氏力的作用，其方向可由右手法則確定，大小與振動的速度和輸入的角速度成正比，哥氏力的合力沿45°方向從而激勵出了驅動橢圓模態的簡并模態，參見圖1中箭頭右側的視圖。簡并模態振動的幅值與輸入角速度的大小成正比，通過解調簡并模態的振動，就可得到角速度的大小，實現對外界運動的敏感。

品質因數是諧振式微陀螺儀的重要性能指標，反映了諧振器的能量在一個周期內的損耗情況，用以表征諧振結構的阻尼特性。一般而言，MEMS諧振結構的主要阻尼項包括熱彈性阻尼、支撐損耗以及空氣阻尼等，主要由諧振結構的結構形狀、模態振型、運動狀態以及封裝工藝而決定。因此，對于實際工作在某一特定模態下的諧振結構，其品質因數特性是確定的，是由諧振結構工作特性和設計加工階段所共同決定的。在陀螺儀加工完成之后，其品質因數是確定的，暫時無法改變的。現有解決方案，主要是通過優化結構設計和高真空封裝工藝的方式，對陀螺儀諧振結構的阻尼項進行抑制，提升品質因數，但是對于已加工完成的陀螺儀諧振結構缺乏有效的品質因數調控手段。

模態耦合效應是MEMS諧振結構中一種獨特的非線性振動現象，諧振器不同的模態之間不再相互獨立，而是相互關聯在一起，任一模態的狀態發生改變都會影響其它模態的特性。諧振器同階模態以及不同階模態之間的耦合效應可以對諧振器的工作模態進行動力學操控，通過改變激勵電壓的幅值或者施加泵浦信號的形式，可以調節各模態之間的能量交互，進一步提升其品質因數，降低其量子噪聲，從而提升微機械諧振器的精度。利用模態耦合效應可以對結構中各模態的能量進行調控，實現“參數放大”(參見圖2a)、“機械冷卻”(參見圖2b)、“動態壓縮”(參見圖2c)、“頻率鎖定”、“模態能量搬移”等獨特效應，為進一步提升諧振式微陀螺儀的品質因數特性提供了理論支持。