微機(jī)械陀螺儀由于體積小、重量輕、動態(tài)性能好、能耗少、成本低、可靠性高、易于數(shù)字化、智能化和集成化等優(yōu)點(diǎn),在微機(jī)電系統(tǒng)中有著不可替代的作用,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如汽車工業(yè)、安全防護(hù)、動態(tài)車輛控制,汽車安全系統(tǒng),高性能導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)和交互式消費(fèi)電子產(chǎn)品等。眾多的研究人員也把追求更高精度以及響應(yīng)更加穩(wěn)定的微陀螺作為今后研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的單自由度微陀螺的精度和穩(wěn)定性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會各方面的需求,在單向解耦以及雙重解耦的模型出現(xiàn)之后,共振頻率需要嚴(yán)格匹配以及正交誤差等缺陷雖然已經(jīng)有所緩解,但未從真正意義上提升微機(jī)械陀螺儀的精度和穩(wěn)健性,增加微陀螺的自由度數(shù)可以提升微陀螺的穩(wěn)定性,但因為過多的彈性梁和振子質(zhì)量塊等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取變得困難。為了將這眾多的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行最佳匹配,在獲得理想帶寬的前提下獲得高穩(wěn)定性、高靈敏度的微陀螺,本文以雙檢測多自由度微陀螺為研究對象對多自由度微陀螺的優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了研究。提出了一種特征提取與正交實驗法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方案。首先對微陀螺檢測方向振動系統(tǒng)振子質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)頻率比以及阻尼比對微陀螺靈敏度及帶寬的影響進(jìn)行定性分析,在定性分析的基礎(chǔ)上對其影響特征進(jìn)行動力學(xué)特征提取,得到設(shè)計參數(shù)的變化對微陀螺系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,然后在此基礎(chǔ)上應(yīng)用正交實驗法對所選的特征參數(shù)進(jìn)行多因素多水平分析以優(yōu)化微陀螺的靈敏度和帶寬,優(yōu)化后微陀螺的靈敏度相對于二次序列規(guī)劃算法僅有微小提升,但帶寬確增加了1590Hz。優(yōu)化結(jié)果表明將基于特征分析的正交實驗法用于微陀螺的靈敏度和帶寬的優(yōu)化設(shè)計可顯著提升微陀螺的工作帶寬。為了更好地解決微陀螺多目標(biāo)優(yōu)化問題,同時也為解決正交試驗法因權(quán)重系數(shù)人為選取導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果難以確定的局限性,采取動力學(xué)特征提取、響應(yīng)面分析法和遺傳算法相結(jié)合的方法對多自由度微陀螺的靈敏度和帶寬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。首先用中心復(fù)合試驗設(shè)計選取20個試驗點(diǎn),然后通過動力學(xué)特征提取控制試驗點(diǎn)的范圍,根據(jù)試驗結(jié)果擬合二階多項式來近似表達(dá)目標(biāo)函數(shù);在響應(yīng)面二階多項式模型的基礎(chǔ)上,基于遺傳算法來解決多目標(biāo)的優(yōu)化問題,經(jīng)過遺傳算法一系列的優(yōu)化過程,結(jié)果顯示該優(yōu)化方法獲得的靈敏度和帶寬與二次序列規(guī)劃算法相比分別提升了19dB和2174Hz。本文提出的改進(jìn)的優(yōu)化算法可以為多自由度微陀螺靈敏度及帶寬的優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ),同時所提出的基于特征提取確定約束條件的方法也為今后微陀螺優(yōu)化設(shè)計方法中約束條件的確定提供了理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH712;TP212
【部分圖文】：

我國MEMS微陀螺的設(shè)計水平和制造水平的提升起到關(guān)鍵作用。1.2 微陀螺研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀MEMS 的早期發(fā)展，主要是國外的一些著名的微陀螺儀研究機(jī)構(gòu)作為推動力，例如德雷珀實驗室、美國加州大學(xué)伯克利分校、佐治亞理工學(xué)院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀實驗室的研究人員便開始研究微機(jī)械陀螺儀[15]，研究的第一個微陀螺如下圖 1-1 所示。由于技術(shù)的限制以及加工工藝的不先進(jìn)，使得第一代微機(jī)械陀螺儀輸出結(jié)構(gòu)有一些缺陷，輸出端很難響應(yīng)到信號，輸出效率較低。在 1991 年 Draper 實驗室推出了他們第一個機(jī)械加工工藝，該一個由扭轉(zhuǎn)彎曲懸掛的雙萬向節(jié)單晶硅結(jié)構(gòu)，60Hz 帶寬下的分辨率為 4°/h。在 1993 年，德雷珀實驗室報告了他們下一代的硅玻璃音叉陀螺儀，旨在最大限度地減少雜散電容的玻璃襯底，檢測質(zhì)量塊用梳齒驅(qū)動器相位靜電驅(qū)動，并檢測出面外擺動模式下的檢測反射率。如圖 1-2 所示。

我國MEMS微陀螺的設(shè)計水平和制造水平的提升起到關(guān)鍵作用。1.2 微陀螺研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀MEMS 的早期發(fā)展，主要是國外的一些著名的微陀螺儀研究機(jī)構(gòu)作為推動力，例如德雷珀實驗室、美國加州大學(xué)伯克利分校、佐治亞理工學(xué)院、ADI 公司等。其中早在 1988 年，德雷珀實驗室的研究人員便開始研究微機(jī)械陀螺儀[15]，研究的第一個微陀螺如下圖 1-1 所示。由于技術(shù)的限制以及加工工藝的不先進(jìn)，使得第一代微機(jī)械陀螺儀輸出結(jié)構(gòu)有一些缺陷，輸出端很難響應(yīng)到信號，輸出效率較低。在 1991 年 Draper 實驗室推出了他們第一個機(jī)械加工工藝，該一個由扭轉(zhuǎn)彎曲懸掛的雙萬向節(jié)單晶硅結(jié)構(gòu)，60Hz 帶寬下的分辨率為 4°/h。在 1993 年，德雷珀實驗室報告了他們下一代的硅玻璃音叉陀螺儀，旨在最大限度地減少雜散電容的玻璃襯底，檢測質(zhì)量塊用梳齒驅(qū)動器相位靜電驅(qū)動，并檢測出面外擺動模式下的檢測反射率。如圖 1-2 所示。

在驅(qū)動模態(tài)中添加了多個振蕩器，并采用圓形配置，如圖1-3 所示。為了獲得更大的帶寬，在另一篇報告中[20]提出了由兩個獨(dú)立的檢測質(zhì)量塊組成的四自由度振動陀螺儀，但這種結(jié)構(gòu)的微陀螺檢測模態(tài)和驅(qū)動模態(tài)會發(fā)生機(jī)械耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生了正交誤差，如圖 1-4 所示。隨后 C.Acar 提出了一個包含解耦框架的三質(zhì)量塊的 4-DOF 模型來解決機(jī)械耦合的問題。如圖 1-5 所示，但這個設(shè)計也存在著一些缺陷，第一個缺點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)在驅(qū)動方向的質(zhì)量塊需要很大，第二個缺點(diǎn)是采用這種結(jié)構(gòu)的微陀螺驅(qū)動方式的控制技術(shù)不可取。第一個問題可以通過增加驅(qū)動模態(tài)的振幅來解決，同時也增加了系統(tǒng)的靈敏度增益[21]。第二個問題采用自由增益控制（AGC）回路控制器設(shè)計的雙自由度檢測模態(tài)的三自由度微陀螺來解決[22]。此設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是它為系統(tǒng)的參數(shù)變化提供了固有的穩(wěn)定性，同時也提供了更加理想的靈敏度增益。在以后的研究中，K. Sahin[22]等人提
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2881462