2024年, 第23卷, 第3期　刊出日期：2024-06-05

  

• 全选
  |

石英振梁加速度计专辑
• Select
  石英振梁加速度计温度补偿方法研究

  李波, 焦舰, 董鑫宇, 李村, 白冰, 赵玉龙

  导航与控制. 2024, 23(3): 1-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对石英振梁加速度计受工作环境温度变化产生温度漂移的问题,对比分析了基于VCR模型和BP神经网络模型的构建方法,通过数据样本验证了两种补偿算法的可行性。并搭建了加速度计性能测试系统,验证两种补偿方法的补偿效果。实验结果表明,两种补偿模型能显著提升加速度计的温度稳定性,零偏温度系数降低近两个数量级,标度因数温度系数降低了一个数量级。VCR模型温度补偿后,零偏温度系数为14.285 μg/℃,标度因数温度系数为-4.2×10^-6/℃;BP模型温度补偿后,零偏温度系数为13.326 μg/℃,标度因数温度系数为-8.808×10^-6/℃,VCR模型在石英振梁加速度计标度因数补偿方面展现出一定的优势。
• Select
  MEMS石英振梁加速度计低噪声驱动系统构建研究

  郑德智, 许宁, 王一霖, 胡纯

  导航与控制. 2024, 23(3): 13-19. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  驱动电路是石英振梁加速度计的重要组成部分,直接决定加速度计的性能。针对传统石英振梁驱动电路输出波形单一、噪声控制效果较差的问题,使用等效电路法对石英振梁进行理论和仿真分析,并使用阻抗分析仪测得了石英振梁的阻抗特性。以此为基础,设计了一种输出高质量正弦波的石英振梁加速度计低噪声驱动电路。该电路使用电荷放大器电路实现对石英振梁电流的低噪声检测,引入了静态电容补偿电路提升电路性能。实验结果表明,本驱动电路可正常驱动石英振梁,输出为标准正弦波。白噪声的频谱密度约为140 μHz/Hz^1/2,依据配套加速度计80 Hz/g的标度因数,等效的加速度分辨率为1.75 μg/Hz^1/2,证明了理论分析和电路设计的合理性。
• Select
  MEMS谐振式加速度计微组装方法

  丛昊, 王阳俊, 赵悦, 刘欢, 潘磊, 赵林峰, 袁德涛, 谭博杰

  导航与控制. 2024, 23(3): 20-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  根据石英振梁和石英摆片的高精度、低应力装配需求,设计了包括双显微视觉、装配运动控制模块、微吸附装置、粗定位工装的MEMS谐振式加速度计的微组装系统。对显微视觉定位算法以及精密运动控制方法进行了深入研究,提出了结合低温活化键合工艺的MEMS谐振式加速度计微组装新方法,并进行了MEMS谐振式加速度计微组装实验。实验结果表明,传感器的微组装精度小于10 μm,满足传感器装配精度需求,有效解决了传感器人工装配精度差等问题。
• Select
  一种力学环境适应性强的石英振梁加速度计结构研究

  张宇航, 王文一, 李思源, 秦琦, 熊鑫, 刘嘉威

  导航与控制. 2024, 23(3): 27-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  石英振梁加速度计是未来高精度、战略惯导级加速度计的发展方向,惯性导航用加速度计对单表的环境适应性要求较高,导弹、火箭在发射瞬间产生的巨大过载冲击对加速度计的力学可靠性提出更高要求。振梁加速度计在复杂环境下的适应性与战略型号需求有差距,因此目前国内战略型号未使用。针对型号使用过程中的大过载、大冲击条件,基于石英挠性加速度计技术成熟度高的质量块设计思想,提出了双梁摆舌、四爪固定的新型振梁加速度计结构,完成了设计结构的高精密装配方案设计;以具体冲击试验谱型为依据,对设计结构进行仿真试验,得到质量块在冲击条件下的最大位移与最大应力。仿真试验表明,加速度计具备抗输入4500 g高过载、大冲击响应谱能力;基于力锤冲击法试验得到,设计的石英振梁加速度计在减震条件下可承受600 g的冲击,提高了相关报道中只能承受400 g的力学冲击能力,解决了石英振梁加速度计在应用中抗力学性能差的问题。
• Select
  MEMS石英振梁加速度计数据采集与精度补偿系统设计

  李波, 焦舰, 董鑫宇, 李村, 白冰

  导航与控制. 2024, 23(3): 34-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  温度是影响石英振梁加速度计精度和稳定性的主要因素之一,工作环境温度的变化会引起加速度计精度和稳定性降低。为了提升加速度计在变温环境下的精度保持能量,可通过温度补偿技术降低由温度引起的加速度计漂移。为了实现MEMS石英振梁加速度计的实时精度补偿,需同步采集加速度计的频率和温度数据。针对MEMS石英振梁加速度计数据采集和精度补偿系统需求,基于FPGA的并行时序处理优势和嵌入式SOPC系统强大运算和数据处理能力,开发了测频测温IP核,实现了加速度计频率数据的采集和温度补偿。通过系统内部嵌入的温度补偿算法模型,完成加速度计实时在线温度补偿。并通过实验验证了温度补偿系统的数据采集功能和精度,结果表明,所研发的数据采集与精度补偿系统能够实现频率和温度数据的采集,测频精度优于10^-6,系统中嵌入的温度补偿算法模型可实现加速度计精度的实时在线补偿。
• Select
  谐振式加速度计微组装显微视觉定位方法研究

  刘欢, 陈立国, 申浩, 张璟, 庞焱, 徐雨生, 王阳俊

  导航与控制. 2024, 23(3): 47-55. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  MEMS石英谐振式加速度计微组装装备是集多功能模块和关键技术于一体的自动化微装配系统,具备高精度和高效率特性,因此研制了一种应用于该系统的显微视觉定位方法。首先,依据微组装工艺分析,设计了具有上下双目显微视觉的精密定位结构。其次,基于九点标定原理,并于自主设计的高精度棋盘格标定板建立世界坐标系,实现了相机像素坐标系至世界坐标系的转换。最后,通过CIE色度图灰度重建以及Canny边缘检测算法,提出了加速度计装配特征的高精度识别方法。实验结果表明:系统显微视觉定位精度优于5 μm,装配特征识别时长小于5 s。
• Select
  高灵敏度石英振梁加速度计的设计与研制

  林盛受, 徐承诚, 梁金星

  导航与控制. 2024, 23(3): 56-61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  石英振梁加速度计因其高精度和高稳定性成为加速度计研究的热点之一。为解决石英振梁加速度计存在标度因数难以提高的问题,提出并研制了一种一体式石英振梁加速度计。介绍了该加速度计的结构模型并展开了理论分析,指出了提高标度因数的可行途径。通过有限元仿真分析确定了加速度计的具体结构,采用湿法刻蚀等工艺制作敏感结构并进行了真空封装。经测试,该加速度计标度因数达到了254.4 Hz/g,零偏稳定性为4.4 μg,标度因数稳定性为2.8×10^-6。测试结果表明,所提出的一体式石英振梁加速度计具有大标度因数、高稳定性的特点,可应用于高精度的惯导系统。
• Select
  基于模拟内插法的振梁加速度计测频方法

  张雅宁, 仇斌, 王晓东, 袁文辉, 张国鹏

  导航与控制. 2024, 23(3): 62-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对现有应用于振梁加速度计后端的小型化测频电路的精度不高问题,提出了一种利用模拟器件搭载实现准确测频的模拟内插法,本实验采用FPGA和模拟器件配合完成待测信号的测量和数据流水线式的处理及运算;实验中使用等周期法和模拟内插法分别测量标准信号源的输出、振梁加速度计的输出。实验结果显示,模拟内插测频法明显优于等周期测频法:使用标准信号源做输入时,平均波动对比等周期法的结果由0.63 mHz降至0.012 mHz,稳定精度提升了52.5倍;当测量振梁加速度计的输出时,平均波动对比等周期法的结果由2.5 mHz降至0.98 mHz,稳定精度提升了2.6倍,将系统时钟的频率由22.1184 MHz提升至150 MHz继续进行测试,稳定精度进一步提升了2.7倍,对结果采用递推平均滤波处理后平均波动达到0.11 mHz。基于模拟内插法的振梁加速度计测频方法的实验结果表明,利用硬件来控制计数时间可以提高测频精度,应用于设备或者箭体上均可实现,且在精度上有很大的优化空间。
其他
• Select
  具备单光子灵敏度的单像素显微成像系统研究

  洪锦阳, 吴清源, 李健, 张安宁

  导航与控制. 2024, 23(3): 73-83. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  单像素成像技术的出现为光学成像带来了新的突破,特别是在克服传统光学显微成像技术的局限性方面展现出独特优势。本文针对传统显微成像在弱光条件下难以获得高质量图像的问题,开展了基于单像素成像技术的显微成像系统研究。该研究采用模块化的光机系统设计,结合Alternating Projection、Differential Ghost Imaging、Gradient Descent等6种先进算法,评估了单像素显微成像系统的性能。实验结果表明,在0.9M CPS光子计数率的极低光照条件下,该系统可实现25%采样率的单像素显微成像,具有39.37 μm的分辨率,视场范围可在22.09 mm² 至231.04 mm²之间调节。与显微成像领域中常用的增强光源和荧光标记等手段相比,本文采用单光子探测技术和压缩感知图像处理算法,能够在极低光照条件下实现高质量显微成像,不会对样品造成光漂白或光毒性,有效避免了对样品的光损伤。本文的单像素显微成像方法为极弱光环境下的显微成像提供了一种创新且高效的解决方案。
• Select
  移动机器人定位导航性能评估标准现状分析

  杨娜, 陈国栋, 李思衡, 李汉舟, 范丛明, 吕刚

  导航与控制. 2024, 23(3): 84-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  定位导航性能是移动机器人的核心能力,其评估标准对移动机器人技术和产业发展具有重要意义。本文调研了国内外移动机器人定位导航性能评估标准现状,从移动机器人定位性能、导航性能、避障能力等方面对9项国内外标准进行对比,针对各性能评估标准中测试性能的全面性、测试条件的通用性以及测试方法的可行性进行分析,为移动机器人性能评估与工程应用规范化等相关工作提供有益参考。
• Select
  惯性导航分割区间内插变斜率积分解算方法

  魏宗康, 石悦

  导航与控制. 2024, 23(3): 97-108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  克雷洛夫角法是捷联式惯性导航姿态解算的一种方法,针对其微分方程中存在奇异点以往认为其不适用于全姿态解算的问题,分析验证得到奇异时克雷洛夫角发生突变后会稳定在一个新的状态。与此同时,坐标变换矩阵保持不变,证明克雷洛夫角法能够适用于全姿态的导航解算。由于克雷洛夫角微分方程包含三角函数,解算较为困难,提出了一种分割区间内插变斜率积分方法,首先推导隐式欧拉积分精确计算公式,然后划分子区间进行分段计算,最后使用大动态试验设备的测试数据进行仿真,解算结果的位置误差从百米量级降至十米量级,证明了所提出的方法能够实现全姿态、高精度的解算。
• Select
  卫星导航时空服务安全保障体系设计探索

  李腾, 褚超群, 李宛聪, 胡小平

  导航与控制. 2024, 23(3): 109-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  以卫星导航为基石的时空信息服务已全面融入社会经济发展和国防建设,时空信息安全已成为国家安全的重要组成部分。针对卫星导航时空服务在日常应用和导航对抗中面临的安全问题,分析了时空服务安全保障需求及其任务内涵,提出了基于卫星导航系统的时空服务安全保障体系总体架构,设计了时空服务安全保障体系的建构与运行机制,为实现我国自主可控的卫星导航时空服务安全保障提供支撑。
• Select
  一种基于可观测度的方差预测理论方法及其应用

  杜少军, 张林, 陈光, 陈凯

  导航与控制. 2024, 23(3): 116-129. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2024.03.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对机动路径设计时传统的可观测性分析方法仅能得到估计参数的可观测度而无法得到参数估计精度的工程实际情况,提出了一种基于可观测度的方差预测理论方法。首先,阐述了基于最小二乘估计理论的可观测性分析方法;其次,对提出的方差预测理论方法进行了理论推导和证明,阐明了其物理意义,并分析了该方法的预测误差模型;最后,以惯导多位置对准为例,对该方法进行了应用验证,证明有效。该方法可以在卡尔曼滤波计算之前对状态参数实时方差进行预测,为系统机动路径的设计及估计精度预测提供了重要依据。