高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺進(jìn)動(dòng)特性分析

劉 寧,鄧志紅

(1.北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101； 2.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京100081)

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺進(jìn)動(dòng)特性分析

劉 寧1,鄧志紅2

(1.北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101； 2.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京100081)

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺的進(jìn)動(dòng)特性,是敏感結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)角速率信息有效提取的關(guān)鍵。針對(duì)金屬殼諧振陀螺的進(jìn)動(dòng)特性進(jìn)行研究,首先分析了金屬殼諧振陀螺的總體研究思路,明確其工作原理；建立敏感結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程和進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式；利用數(shù)值分析方法,對(duì)進(jìn)動(dòng)因子進(jìn)行分析,得出金屬殼諧振陀螺進(jìn)動(dòng)因子經(jīng)驗(yàn)公式；最后對(duì)其進(jìn)動(dòng)特性進(jìn)行綜合分析。

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺；敏感結(jié)構(gòu)；哥氏定理

0 引言

金屬殼諧振陀螺因其采用合金材料作為諧振子,具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),在兼顧抗過(guò)載、量程和精度上表現(xiàn)出了巨大的潛力[1-8]。有部分文獻(xiàn)將金屬殼諧振陀螺、半球諧振陀螺歸屬于固體波動(dòng)陀螺范疇[6-7],這種分類方式與上述分類方式只是形式不同,在原理上相通。金屬殼諧振陀螺是目前能夠有效解決大量程、高過(guò)載環(huán)境下角速率測(cè)量的重要傳感器。

在文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中,作者對(duì)于半球殼進(jìn)行研究時(shí),給出了半球殼的進(jìn)動(dòng)因子。但對(duì)于半球殼而言,其振型函數(shù)形式單一,與半球殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān),故所推導(dǎo)的進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式與半球殼諧振子結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān)。而在文獻(xiàn)[4]中,作者經(jīng)過(guò)大量的研究,利用彈性力學(xué)中的虛功、虛位移原理,給出了半球殼諧振子、圓柱殼諧振子的進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式,并分析了兩者結(jié)構(gòu)參數(shù)與對(duì)應(yīng)進(jìn)動(dòng)因子間的關(guān)系,總結(jié)出了經(jīng)驗(yàn)公式。在文獻(xiàn)[9]中,作者利用彈性力學(xué)中的能量原理,通過(guò)拉格朗日方法,給出了旋轉(zhuǎn)殼體的進(jìn)動(dòng)因子推導(dǎo)方式。綜合這三種推導(dǎo)方式可知,這類軸對(duì)稱諧振殼的進(jìn)動(dòng)因子應(yīng)小于1,其數(shù)值應(yīng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

本文分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與鐘形振子進(jìn)動(dòng)因子間的關(guān)系,研究金屬殼諧振陀螺敏感結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)動(dòng)特點(diǎn),推導(dǎo)出敏感結(jié)構(gòu)的等效進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式。

1 金屬殼諧振陀螺特點(diǎn)

由金屬殼諧振陀螺的研究現(xiàn)狀可知,傳統(tǒng)的金屬殼諧振陀螺的量程、抗過(guò)載能力受到自身結(jié)構(gòu)制約,無(wú)法滿足高過(guò)載、大量程條件下的角速率測(cè)量要求。針對(duì)這一問(wèn)題,受中國(guó)傳統(tǒng)大鐘啟發(fā),借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)金屬殼諧振陀螺的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)新性地提出了高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺。該陀螺利用高品質(zhì)的恒彈性合金材料一體加工而成,核心敏感部件為敏感結(jié)構(gòu),由3個(gè)典型主體結(jié)構(gòu)：半球面形結(jié)構(gòu)、圓柱面形結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)雙曲面形結(jié)構(gòu)融合而成,利用壓電激勵(lì)與檢測(cè)方式進(jìn)行控制與角速率解算,在保證精度的前提下,顯著地提高了該陀螺的抗過(guò)載能力和量程。

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺是受中國(guó)傳統(tǒng)大鐘啟發(fā)而來(lái),中國(guó)傳統(tǒng)大鐘在振動(dòng)過(guò)程中,聲色優(yōu)美、余音裊裊且經(jīng)久耐用[10-11]。將這些特點(diǎn)與傳統(tǒng)的金屬殼諧振陀螺相結(jié)合,來(lái)提高金屬諧振子振動(dòng)穩(wěn)定性、增強(qiáng)抗過(guò)載能力、增大測(cè)量量程等。

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺由敏感結(jié)構(gòu)、壓電電極、電路系統(tǒng)和陀螺框架組成。敏感結(jié)構(gòu)是高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺的核心敏感元件,主要是提供穩(wěn)定的駐波振動(dòng)載體,從結(jié)構(gòu)上保證陀螺能夠有效檢測(cè)輸入角速率；壓電電極是敏感結(jié)構(gòu)與陀螺之間的橋梁,主要負(fù)責(zé)敏感結(jié)構(gòu)的振型控制以及信號(hào)檢測(cè),從而將敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)用于數(shù)據(jù)處理；電路系統(tǒng)用于輸出控制信息,同時(shí)采集檢測(cè)信息,最終計(jì)算出輸入角速率；陀螺框架用于固定敏感結(jié)構(gòu)、壓電電極和電路系統(tǒng),提供高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺的對(duì)外信號(hào)輸出與機(jī)械安裝。

敏感結(jié)構(gòu)是高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺的核心敏感部件,其結(jié)構(gòu)形如中國(guó)傳統(tǒng)大鐘,主體結(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分：半球面形結(jié)構(gòu)、圓柱面形結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)雙曲面形結(jié)構(gòu),是一個(gè)軸對(duì)稱多曲面融合金屬回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),繞其角速率敏感軸對(duì)稱,如圖1所示。將壓電電極均勻粘貼在鐘壁上,控制敏感結(jié)構(gòu)振型,檢測(cè)駐波進(jìn)動(dòng),利用電路系統(tǒng)檢測(cè)輸入角速率。

圖1 敏感結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sensitive structure schematic diagram

與傳統(tǒng)的金屬殼諧振陀螺相比,高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺具有以下特點(diǎn)：

1)抗過(guò)載能力強(qiáng)。借鑒中國(guó)傳統(tǒng)大鐘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,利用軸對(duì)稱多曲面融合結(jié)構(gòu),有效提升高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺的抗過(guò)載能力。

2)測(cè)量范圍寬。傳統(tǒng)的軸對(duì)稱殼諧振陀螺利用振子底部改變厚度來(lái)調(diào)節(jié)諧振子剛度,例如Innalabs公司的圓杯形陀螺,將底部厚度調(diào)節(jié)為圓杯標(biāo)準(zhǔn)壁厚的2倍來(lái)增加諧振子剛度。而高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺是通過(guò)修改鐘口處曲面結(jié)構(gòu)形式,來(lái)調(diào)節(jié)敏感結(jié)構(gòu)剛度,使得振子具有較廣的進(jìn)動(dòng)范圍。

3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。傳統(tǒng)的軸對(duì)稱殼諧振陀螺采用單一曲面結(jié)構(gòu)作為敏感結(jié)構(gòu),例如圓柱面、半球面、圓錐面等標(biāo)準(zhǔn)曲面結(jié)構(gòu)。而高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺采用多曲面融合結(jié)構(gòu)作為敏感結(jié)構(gòu),包括半球面、圓柱面、旋轉(zhuǎn)雙曲面結(jié)構(gòu)。通過(guò)優(yōu)化各結(jié)構(gòu)間尺寸,提高敏感結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

綜上所述,高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺摒棄了傳統(tǒng)軸對(duì)稱殼諧振陀螺的設(shè)計(jì)思路,利用多曲面融合思想,設(shè)計(jì)敏感結(jié)構(gòu)。敏感結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)振子相比,曲面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,振動(dòng)特性特征豐富。因此,對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論需進(jìn)行系統(tǒng)研究,數(shù)學(xué)模型、振動(dòng)特性、信號(hào)處理方法還需進(jìn)行大量理論分析與實(shí)驗(yàn)摸索,整體性能還需進(jìn)一步分析與驗(yàn)證。

2 工作原理

高動(dòng)態(tài)金屬殼諧振陀螺是利用敏感結(jié)構(gòu)表面的駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng),來(lái)敏感輸入角速率。主要過(guò)程為：利用鐘壁上壓電電極的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)出敏感結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模態(tài),通過(guò)哥氏力的耦合作用激勵(lì)出檢測(cè)模態(tài),進(jìn)而利用壓電電極的壓電效應(yīng)檢測(cè)出駐波進(jìn)動(dòng),最后輸出的電特性信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理,解算出輸入角速率[12]。

在敏感結(jié)構(gòu)的鐘壁上,均勻布置4對(duì)壓電電極,如圖2所示,分別為1對(duì)激勵(lì)電極、1對(duì)檢測(cè)電極、1對(duì)反饋電極和1對(duì)阻尼控制電極。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),來(lái)激勵(lì)敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng),使敏感結(jié)構(gòu)底部的慣性質(zhì)量部分——鐘唇,在環(huán)向上產(chǎn)生四波腹振動(dòng)的駐波形式,如圖3(a)所示,定義這種振動(dòng)模態(tài)為激勵(lì)模態(tài),或稱主模態(tài)。對(duì)于這種軸對(duì)稱殼來(lái)說(shuō),同一振動(dòng)頻率下會(huì)有兩種固有振型,這兩種振型相差45°,如圖3(b)所示,定義這種振動(dòng)模態(tài)為檢測(cè)模態(tài),或稱第二模態(tài)。而這兩種振動(dòng)模態(tài)形成的相差45°的振型,通過(guò)哥氏力進(jìn)行耦合。

圖2 敏感結(jié)構(gòu)壓電電極分布圖Fig.2 Piezoelectric element of sensitive structure

(a)激勵(lì)模態(tài)(a) Excitation mode

(b)檢測(cè)模態(tài)(b) Detection mode圖3 敏感結(jié)構(gòu)鐘唇駐波示意圖Fig.3 Standing wave of sensitive structure

具體實(shí)施過(guò)程中,壓電電極應(yīng)擺放在遠(yuǎn)離自由端,靠近約束端的位置,盡可能地減少由于自由端受哥氏力作用而影響壓電電極檢測(cè)的效果。首先,在激勵(lì)電極上施加交流信號(hào)uinput,壓電電極沿長(zhǎng)度方向發(fā)生變化,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,如圖4(a)所示；相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)在該驅(qū)動(dòng)力的作用下,沿垂直于鐘壁方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),如圖4(b)所示,最終激勵(lì)敏感結(jié)構(gòu)工作于四波腹振型。

(a)壓電電極驅(qū)動(dòng)力(a) Piezoelectric element excitation force

(b)敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng) (b) Motion of sensitive structure圖4 激勵(lì)電極作用示意圖Fig.4 Drive piezoelectric element

當(dāng)敏感軸方向上無(wú)角速率輸入時(shí),敏感結(jié)構(gòu)在激勵(lì)電極的驅(qū)動(dòng)下,維持在激勵(lì)模態(tài)下振動(dòng)；當(dāng)敏感軸方向上存在輸入角速率時(shí),在哥氏力的耦合作用下激勵(lì)出檢測(cè)模態(tài),且該模態(tài)下振型的振動(dòng)幅值應(yīng)正比于輸入角速率。而2個(gè)模態(tài)均作用于敏感結(jié)構(gòu)上,就會(huì)引起原有的四波腹振型發(fā)生偏轉(zhuǎn),或描述為駐波發(fā)生了進(jìn)動(dòng)。在實(shí)際工作時(shí),當(dāng)敏感軸方向上存在逆時(shí)針?lè)较虻慕撬俾师笗r(shí),駐波產(chǎn)生進(jìn)動(dòng),其振型進(jìn)動(dòng)角為?,正比于輸入角速率Ω,如圖5所示。

圖5 敏感結(jié)構(gòu)駐波進(jìn)動(dòng)示意圖Fig.5 Precession of standing wave

3 動(dòng)力學(xué)方程描述

將敏感結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)看作是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),在正交曲線坐標(biāo)系下,各質(zhì)點(diǎn)均存在3個(gè)坐標(biāo)方向上的位移。對(duì)于敏感結(jié)構(gòu)上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)P(φ,υ,θ),其矢量運(yùn)動(dòng)形式可表示為

(1)

Ω2uφcos2φ-Ω2uυcosφsinφ)

Ω2uυsin2φ-Ω2uφsinφcosφ)

Ω2uθ-Ω′uφcosφ-Ω′uυsinφ)

(2)

其中,ρ1和ρ2為正交曲線坐標(biāo)系下的2個(gè)曲率半徑,ρ1為主曲率半徑,ρ2為第二曲率半徑,φ為質(zhì)點(diǎn)法線與旋轉(zhuǎn)軸間夾角,θ為環(huán)向角度,υ為鐘形振子的厚度方向坐標(biāo)。在鐘形振子中,φt表示頂部夾角,φb表示底部夾角,h為鐘形振子的厚度。根據(jù)上述表示,則質(zhì)點(diǎn)P的整體位移的合成矢量表示為[14]

(3)

當(dāng)敏感軸向上存在外界輸入角速率Ω時(shí),其相對(duì)于慣性空間的表達(dá)式為

(4)

根據(jù)哥氏定理和瓦里斯公式,質(zhì)點(diǎn)P相對(duì)慣性空間的絕對(duì)加速度為[13]

a=a0+2Ω×R′+R″+[Ω′×R]+[Ω×[Ω×R]]

(5)

其中,a0為質(zhì)點(diǎn)P的絕對(duì)加速度；R″為質(zhì)點(diǎn)P的加速度；R′為質(zhì)點(diǎn)P的速度；Ω′為質(zhì)點(diǎn)P的角加速度。

將式(5)展開,可得

Ω2uφcos2φ-Ω2uυcosφsinφ

Ω2uυsin2φ-Ω2uφsinφcosφ

(6)

式中,aφ為φ方向上的加速度,aυ為υ方向上的加速度,aθ為θ方向上的加速度。則由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知,質(zhì)點(diǎn)P所受在外界角速率影響下的慣性力為

fφ=-ρa(bǔ)φ,fυ=-ρa(bǔ)υ,fθ=-ρa(bǔ)θ

(7)

4 進(jìn)動(dòng)特性

4.1 進(jìn)動(dòng)因子與結(jié)構(gòu)參數(shù)

求解式(2),即可求解出敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式為[14]

(8)

其中,U、V、W為振型函數(shù)。于是可得

K=κ(R,S,Rb,h)

(9)

其中,κ(R,S,Rb,h)為關(guān)于結(jié)構(gòu)R,S,Rb,h的函數(shù)。由此可知,進(jìn)動(dòng)因子僅與半球面形結(jié)構(gòu)半徑、旋轉(zhuǎn)雙曲面形結(jié)構(gòu)底部半徑、旋轉(zhuǎn)雙曲面形結(jié)構(gòu)高度和厚度有關(guān),與圓柱面形結(jié)構(gòu)高度無(wú)關(guān)。

結(jié)合式(8),利用數(shù)值仿真分析方法,分析敏感結(jié)構(gòu)數(shù)對(duì)進(jìn)動(dòng)因子的影響,如圖6所示。從圖6中可以看出,進(jìn)動(dòng)因子隨著半球面形半徑、旋轉(zhuǎn)拋物面形底部半徑和敏感結(jié)構(gòu)厚度的增加而減小,隨著旋轉(zhuǎn)拋物面形高度的增加而變大；且敏感結(jié)構(gòu)的進(jìn)動(dòng)因子,趨于一個(gè)常值0.6。而從旋轉(zhuǎn)拋物面形底部半徑變化關(guān)系來(lái)看,當(dāng)半徑增大時(shí),其進(jìn)動(dòng)因子減小,敏感結(jié)構(gòu)的底部趨向于圓環(huán)狀,其值應(yīng)該趨近于圓環(huán)的進(jìn)動(dòng)因子。綜合文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6],半球面形振子的進(jìn)動(dòng)因子趨近于0.4,圓柱面形振子的進(jìn)動(dòng)因子趨近于0.8,圓環(huán)的進(jìn)動(dòng)因子趨近于0.3。對(duì)于敏感結(jié)構(gòu)而言,進(jìn)動(dòng)因子趨近于0.6,在圓柱與半球之間。于是可得敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)動(dòng)因子的經(jīng)驗(yàn)公式為

(10)

(a)進(jìn)動(dòng)因子與半球面形半徑(a) Precession factor and radius of hemispherical

(b)進(jìn)動(dòng)因子與旋轉(zhuǎn)拋物面形底部半徑(b) Precession factor and radius of parabolidal

(c)進(jìn)動(dòng)因子與旋轉(zhuǎn)拋物面形高度(c) Precession factor and height of hemispherical

(d)進(jìn)動(dòng)因子與敏感結(jié)構(gòu)厚度(d) Precession factor and weight of hemispherical圖6 進(jìn)動(dòng)因子與敏感結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系Fig.6 Relationship of precession factor and sensitive structure

4.2 特性分析

在理想情況下,敏感結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)動(dòng)反映在剛性軸系p軸和q軸的變化上,如圖7所示。該圖為

p軸和q軸的李薩茹圖,利用這種表現(xiàn)方法能夠方便驗(yàn)證與測(cè)試敏感結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)動(dòng)。如果敏感結(jié)構(gòu)的鐘唇運(yùn)動(dòng)為純的駐波,當(dāng)輸入角速率為0時(shí),振型未產(chǎn)生進(jìn)動(dòng),沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn),故p軸和q軸所繪制的李薩茹圖為一條直線。而當(dāng)振型偏轉(zhuǎn)0.05π時(shí),李薩茹圖所呈現(xiàn)出的水平線變?yōu)榕c水平軸呈現(xiàn)0.1π夾角的斜線,而此時(shí)駐波相對(duì)于陀螺殼體移動(dòng)了-30°。

圖7 固有剛性軸系輸出李薩茹圖Fig.7 Lissajous curves of rigid axis

而對(duì)于敏感結(jié)構(gòu)整體駐波的包絡(luò)而言(圖8),當(dāng)振型偏轉(zhuǎn)0.05π時(shí),整體駐波包絡(luò)偏轉(zhuǎn)0.05π。

圖8 駐波進(jìn)動(dòng)包絡(luò)示意Fig.8 Envelope of standing wave

而在非理想情況下,敏感結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中以及材料的差異,會(huì)產(chǎn)生振型偏移,從而導(dǎo)致p軸和q軸產(chǎn)生相位差,使得李薩茹圖變?yōu)闄E圓,如圖9所示。

圖9 非理想情況下李薩茹圖Fig.9 Lissajous Curves of axis imperfect

綜上所述,敏感結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)動(dòng)與傳統(tǒng)金屬殼諧振子一致,只是進(jìn)動(dòng)因子有所差別。在進(jìn)行角速率信息獲取時(shí),均需要通過(guò)對(duì)p軸和q軸的信息進(jìn)行獲取,從而有效分析敏感結(jié)構(gòu)振型進(jìn)動(dòng)。

5 結(jié)論

針對(duì)金屬殼諧振陀螺的進(jìn)動(dòng)特性進(jìn)行研究,首先分析了金屬殼諧振陀螺的總體研究思路,明確其工作原理；建立敏感結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程和進(jìn)動(dòng)因子表達(dá)式；利用數(shù)值分析方法,對(duì)進(jìn)動(dòng)因子進(jìn)行分析,得出金屬殼諧振陀螺進(jìn)動(dòng)因子經(jīng)驗(yàn)公式；最后對(duì)其進(jìn)動(dòng)特性進(jìn)行綜合分析。本文對(duì)金屬殼諧振陀螺的設(shè)計(jì)與制造提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1]ArmeniseMN,CiminelliC,Dell′OlioF,etal.Advancedingyroscopetechnologies[M].Berlin:Springer, 2013: 1-30.

[2]LynchDD.Coriolisvibratorygyros[C].ProceedingsoftheSymposiumonGyroTechnology, 1998.

[3]IEEE1431-2004.IEEEstandardspecificationformatguideandtestprocedureforcoriolisvibratorygyros[S].NewYork:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers, 2004.

[4] 樊尚春.軸對(duì)稱殼諧振陀螺[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

[5] 劉宇.固態(tài)振動(dòng)陀螺與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京: 中國(guó)宇航出版社, 2010.

[6]B.A.馬特維耶夫,B.И.利帕特尼科夫,A.V.阿廖欣, 等.固體波動(dòng)陀螺[M].楊亞非, 趙輝, 譯.北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009,

[7] 馬特維耶夫.固態(tài)波陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)[M].馬菊紅, 譯.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2013.

[8]ShkelAM.TypeIandTypeIImicromachinedvibratorygyroscopes[C].Position,Location,AndNavigationSymposium, 2006IEEE/ION.IEEE, 2006: 586-593.

[9]JoubertSV,ShatalovMY,FayTH.RotatingstructuresandBryan’seffect[J].AmericanJournalofPhysics, 2009, 77(6): 520-525.

[10] 徐永君, 戰(zhàn)頌, 申仲翰, 等.永樂(lè)大鐘及懸掛支撐系統(tǒng)的撞鐘過(guò)程瞬態(tài)分析[J].振動(dòng)與沖擊, 2007, 26(5): 141-144.

[11] 鄭敏華, 蔡秀蘭, 陳通.永樂(lè)大鐘振動(dòng)的有限元分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào), 1988, 13(1): 59-66.

[12] 劉寧, 蘇中, 劉洪.鐘形振子式角速率陀螺敏感機(jī)理與檢測(cè)方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 721-727.

[13]ShatalovMY,JoubertSV,CoetzeeCE,etal.Freevibrationofrotatinghollowspherescontainingacousticmedia[J].JournalofSoundandVibration, 2009, 322(4): 1038-1047.

[14]LiuN,SuZ,LiQ.Designandexperimentofanovelbell-shapedvibratorygyro[J].SensorsandActuatorsA:Physical, 2016, 238: 37-50.

Analysis of Precession Features for High Dynamic Metal Shell Vibratory Gyroscope

LIU Ning1, DENG Zhi-hong2

(1.Beijing Key Laboratory of High Dynamic Navigation Technology, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100101, China; 2.School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The precession feature of high dynamic metal shell vibratory gyroscope is the key to realize the angular rate information extracted effectively.It focuses on the precession of metal shell vibratory gyroscope.Firstly, the overall research ideas of metal shell vibratory gyroscope and working principle are analyzed.Then the sensitive structure dynamics equations and the expression of precession factor are proposed.The method of numerical analysis is used to analyze the precession factor.The metal shell vibratory gyroscope precession factor empirical formula is achieved.Finally, the precession characteristics of the metal shell vibratory gyroscope are analyzed comprehensively.

High dynamic metal shell vibratory gyroscope; Sensitive structure; Coriolis theorem

2017-01-28；

2017-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471046)；北京市教委市屬高校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(TJSHG201510772017)；高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題。

劉寧(1986-),男,博士,助理研究員,主要從事諧振陀螺、慣性器件和高動(dòng)態(tài)IMU的研究。 E-mail:ning.liu@bistu.edu.cn

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.015

TP212.1

A

2095-8110(2017)02-0086-07