微机电陀螺与传统的机电类陀螺和光电类陀螺相比,具有成本低、尺寸小、重量轻、可靠性高等优点。对微机电陀螺的研究与开发已经成为近十几年内的研究热点,并将继续推动导航技术向前发展。基于目前的工艺水平,微机电陀螺只能用于低端导航系统,提高其可用精度的方法之一是对其进行误差特性分析、建模和补偿。 本文主要研究了微机电陀螺的误差分析、建模和补偿,以及在飞行器导航中的应用。首先对微机电陀螺的性能指标进行了总结并分析了其理想动力学模型,随后详细论述并分析了振动结构、换能器和电子电路三个主要部分的工作原理、性能和误差特性。基于上述研究结论,建立了适用于微机电陀螺的误差模型,对误差补偿理论进行了研究。最后根据建立的微机电陀螺误差模型,开发了分布式组合导航仿真系统和低成本飞行器组合导航系统原理样机,并进行了仿真分析和跑车试验。 本文的具体研究内容如下: 1) 对微机电陀螺的性能指标进行了归纳和总结,将理想微机电陀螺等效为2自由度质量-弹簧-阻尼系统,在开环和闭环两种工作模式下对其动力学模型进行了分析,确定了用于描述微机电陀螺结构特征参数的典型取值范围。 2) 研究了静电驱动和电容性检测技术,对微机电陀螺中常采用的平板电容器结构、横向梳结构和纵向梳结构进行了工作机理分析和性能比较,对静电驱动器和电容性敏感器中存在的正交误差和偏差进行了定性分析。 3) 对驱动电路存在的误差进行了分析,其主要为因相位延迟导致的正交误差。对单位增益缓冲器、跨阻放大器和电荷积分放大器三种基本检测单元的工作原理和噪声特性进行了分析和比较,表明电荷积分放大器的性能最好。随后分析并比较了同步检测、开关电容检测、相关双采样和伪差分检测四种典型检测电路的性能,同步检测和相关双采样能够消除较多的误差,其误差主要为第1级放大器的热噪声,该热噪声与机械热噪声相比往往要高几个量级。 4) 研究了两种典型的微机电陀螺结构:线振动结构陀螺和旋转振动结构陀螺。根据各自的动力学特征推导了完整的动力学模型,在模型中引入的主要结构不理想因素—质心偏移和振动质量偏斜—可以等效为结构的刚度矩阵和阻尼矩阵不对称,并表示成矩阵的非对角项。随后对上述模型进行了合理简化,采用轨迹图法和平均化方法进行了动力学特性分析,研究了模态控制问题。最后归类并分析了与结构相关的各种主次误差因素。 5) 详细论述了微机电陀螺的确定性误差模型和随机误差模型,以及相应的模型建立方法,着重分析了随机误差建模方法中的时间序列分析和Allan方差技