本發(fā)明涉及二頻機(jī)抖激光陀螺領(lǐng)域，具體地，涉及一種二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、基于sagnac效應(yīng)原理的激光陀螺是迄今為止在慣性技術(shù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用的非機(jī)電式中高精度慣性敏感儀表，它具有性能穩(wěn)定、精度高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、比例因子線(xiàn)性度和穩(wěn)定性極好等優(yōu)點(diǎn)，是新一代高靈敏度、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)慣導(dǎo)系統(tǒng))的理想傳感器。

2、為了應(yīng)對(duì)激光陀螺的閉鎖問(wèn)題，提出了多種解決方案，其中抖動(dòng)偏頻控制技術(shù)是最有效的方法之一，通過(guò)加入交變抖動(dòng)偏頻，使得陀螺只在很短的時(shí)間內(nèi)處于閉鎖狀態(tài)，其余大部分時(shí)間工作于鎖區(qū)之外。即使輸入角速率很小，由于陀螺在鎖區(qū)內(nèi)的總時(shí)間短，大大減小了由閉鎖帶來(lái)的誤差。因此抖動(dòng)偏頻控制技術(shù)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到機(jī)械抖動(dòng)激光陀螺的精度和性能。在激光陀螺抖動(dòng)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中，抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

3、當(dāng)機(jī)械抖動(dòng)激光陀螺在其旋轉(zhuǎn)軸和輸出軸出現(xiàn)同頻不同向的角振動(dòng)時(shí)，盡管其測(cè)量輸入軸凈指向不變(從整體上看沒(méi)有隨時(shí)間改變的趨勢(shì)項(xiàng))，但陀螺儀在輸入軸上還是會(huì)敏感到并輸出常值誤差，即產(chǎn)生圓錐運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。為了消除這種誤差，需要把不同軸向上的激光頻率錯(cuò)開(kāi)，即為了避免機(jī)械耦合，三個(gè)垂直安裝配合使用的陀螺儀應(yīng)在不同的諧振頻率下進(jìn)行抖動(dòng)。

4、此外，在高精度尋北并兼顧體積重量的情況下，激光陀螺在多種場(chǎng)合下通常采用高低搭配使用，比如1個(gè)諧振光路邊長(zhǎng)為90mm的陀螺(簡(jiǎn)稱(chēng)為90陀螺)和2個(gè)諧振光路邊長(zhǎng)為70mm的陀螺(簡(jiǎn)稱(chēng)70陀螺)搭配使用，因產(chǎn)品定型較早，90陀螺固化頻率為340hz、380hz和420hz，則理想狀態(tài)下與之匹配的70陀螺也應(yīng)為這三個(gè)頻率，即不同尺寸的激光陀螺諧振頻率應(yīng)相互匹配，保持一致。

5、因此，需要精確設(shè)計(jì)和選擇機(jī)械抖動(dòng)的諧振頻率?，F(xiàn)有的二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率的設(shè)計(jì)大多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)完成后加工試制需要3-6個(gè)月的時(shí)間，若不符合要求需要重新迭代，存在周期長(zhǎng)、精確度低的問(wèn)題。有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，此方法可以應(yīng)用在二頻機(jī)抖激光陀螺領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)抖陀螺諧振頻率設(shè)計(jì)，優(yōu)化縮短陀螺的設(shè)計(jì)周期。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率設(shè)計(jì)方法，分為以下步驟：

3、1)進(jìn)行激光陀螺的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲取激光陀螺實(shí)際的各階諧振頻率；具體過(guò)程如下：

4、1.1)定義水平面上x(chóng)方向?yàn)橥勇輧蓚€(gè)陽(yáng)極連線(xiàn)方向，y方向垂直于x方向，按照右手法則確定z方向，即垂直方向。

5、1.2)對(duì)二頻機(jī)抖激光陀螺進(jìn)行水平和垂直方向的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)；

6、1.3)在抖動(dòng)機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定后，對(duì)抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅-頻率響應(yīng)及實(shí)際諧振頻率進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中輸入幅度恒定為vd＝50v的正弦激勵(lì)電壓信號(hào)，從低頻到高頻逐步改變正弦激勵(lì)電壓信號(hào)的頻率，記錄此時(shí)抖動(dòng)機(jī)構(gòu)抖動(dòng)幅度的變化情況，得到該抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅-頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，通過(guò)該曲線(xiàn)可得穩(wěn)態(tài)時(shí)諧振頻率；按照掃頻振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范完成掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，讀取并記錄各階諧振頻率數(shù)值，分別記為下標(biāo)n表示第n階頻率，上標(biāo)(k)表示第k次迭代；

7、2)基于真實(shí)的激光陀螺的幾何模型進(jìn)行有限元建模和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，獲取仿真的各階諧振頻率；具體過(guò)程如下：

8、2.1)進(jìn)行激光陀螺的有限元建模，完成建模與材料參數(shù)設(shè)定；

9、參照真實(shí)的激光陀螺的幾何尺寸，在solidworks軟件中建立陀螺的結(jié)構(gòu)模型，將模型導(dǎo)入ansys軟件中，選擇模態(tài)分析模塊，參照真實(shí)的激光陀螺使用的材料，在模態(tài)分析模塊的engineering?data中設(shè)定陀螺各個(gè)部件的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度等。

10、2.2)進(jìn)行工況設(shè)置與模態(tài)仿真計(jì)算求解；

11、進(jìn)入模態(tài)分析模塊中，在geometry中選擇各個(gè)部件對(duì)應(yīng)的材料；在connections中設(shè)定各個(gè)部件間的連接關(guān)系，陀螺腔體與抖動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的連接方式設(shè)為綁定方式，并設(shè)定陀螺腔體與抖動(dòng)機(jī)構(gòu)間連接的法向剛度ka，抖動(dòng)機(jī)構(gòu)與安裝盒之間的連接方式設(shè)為預(yù)緊力方式，并設(shè)定抖動(dòng)機(jī)構(gòu)與安裝盒間連接的剛度kb，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)剛度可以進(jìn)行陀螺諧振頻率的設(shè)計(jì)，其它各處的連接(包括壓電陶瓷與輻條、陽(yáng)極與陀螺本體、槽片與陀螺本體、吸氣劑蓋板與陀螺本體、平片與陀螺本體、平片與合光棱鏡、平片與穩(wěn)頻棱鏡、抓卡與腔體、適配電阻與腔體的連接)采用無(wú)分離方式；在mesh中劃分二頻機(jī)抖激光陀螺中抖動(dòng)機(jī)構(gòu)、安裝盒、腔體、陽(yáng)極、槽片、吸氣劑蓋板、穩(wěn)頻棱鏡、適配電阻、抓卡的有限元網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格大??；在modal中施加邊界條件，即將陀螺安裝盒的底面設(shè)置為固定支撐約束；在solution中選擇total?deformation，點(diǎn)擊solve進(jìn)行求解；

12、2.3)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，求解完成后，讀取各階模態(tài)結(jié)果，觀(guān)察模態(tài)振型，找到仿真的各階諧振頻率，分別記為下標(biāo)n表示第n階頻率，上標(biāo)(k)表示第k次迭代；

13、3)將仿真的結(jié)果與步驟1)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，建立各階諧振頻率仿真誤差模型，將得到的等效剛度ka、kb傳遞給ansys以進(jìn)行下一次建模。改變陀螺的幾何參數(shù)，包括抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的輻條的厚度、抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心孔半徑；壓電陶瓷的厚度、壓電陶瓷的長(zhǎng)度、壓電陶瓷的寬度，重復(fù)有限元建模和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及激光陀螺的振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行迭代，直至獲得最終要求的諧振頻率，使配合陀螺(如70陀螺)的三個(gè)諧振頻率與主陀螺(如90陀螺)的三個(gè)諧振頻率一致；具體過(guò)程如下：

14、3.1.1)建立各階諧振頻率仿真誤差模型。激光陀螺動(dòng)剛度參數(shù)中需要識(shí)別的物理參數(shù)為陀螺抖動(dòng)機(jī)構(gòu)與陀螺腔體間連接的法向剛度ka和陀螺抖動(dòng)機(jī)構(gòu)與安裝盒間連接的剛度kb。設(shè)計(jì)變量為需要識(shí)別的陀螺等效剛度參數(shù)ka、kb：

15、

16、其中，函數(shù)表示第k次迭代時(shí)的等效剛度參數(shù)與頻率偏差之間的復(fù)雜映射關(guān)系，由于采用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，因此無(wú)需知道函數(shù)內(nèi)部詳細(xì)表達(dá)式。

17、3.1.2)各階頻率的誤差值均小于v?hz，0≤v≤30，即為誤差分析模型的約束函數(shù)；

18、目標(biāo)函數(shù)為：

19、

20、約束條件為：

21、

22、3.1.3)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，ka初始值取a?n/m3，1e6≤a≤1e10,；

23、kb初始值取b?n/m3，1e3≤b≤1e7,；

24、3.1.4)迭代計(jì)算

25、

26、將得到的值傳遞給ansys以便下一次建模。

27、3.2)將solidworks軟件與ansys軟件設(shè)置為聯(lián)動(dòng)，在solidworks軟件中修改激光陀螺的幾何參數(shù)，包括抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的輻條的厚度、抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心孔半徑；壓電陶瓷的厚度、壓電陶瓷的長(zhǎng)度、壓電陶瓷的寬度；每次僅修改一個(gè)參數(shù)：具體如下：

28、3.2.1)固定其它參數(shù)，僅修改抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的輻條厚度，設(shè)置輻條厚度區(qū)間為0.5mm～5mm,每次修改增加0.5mm；

29、3.2.2)固定其它參數(shù)，僅修改抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心孔半徑，設(shè)置中心孔半徑區(qū)間為20mm～80mm,每次修改增加5mm；

30、3.2.3)固定其它參數(shù)，僅修改抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷的厚度，設(shè)置壓電陶瓷的厚度區(qū)間為1mm～10mm,每次修改增加1mm；

31、3.2.4)固定其它參數(shù)，僅修改抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷的長(zhǎng)度，設(shè)置壓電陶瓷的長(zhǎng)度區(qū)間為50mm～80mm,每次修改增加5mm；

32、3.2.5)固定其它參數(shù)，僅修改抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷的寬度，設(shè)置壓電陶瓷的寬度區(qū)間為20mm～40mm,每次修改增加5mm；

33、3.3)在ansys軟件里選擇update?project進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)果的更新，獲得改變參數(shù)后的仿真的各階諧振頻率。

34、3.4)修改激光陀螺的幾何參數(shù)，與仿真中修改的參數(shù)相同，重復(fù)步驟1)，進(jìn)行激光陀螺的振動(dòng)試驗(yàn)，獲得改變幾何參數(shù)后實(shí)際的各階諧振頻率。

35、3.5)重復(fù)步驟3.1)、3.2)、3.3)、3.4)，直到遍歷完3.2中所有參數(shù)設(shè)置情況。

36、4)以步驟3)中多次遍歷的幾何參數(shù)為自變量，與之相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)得到的1階諧振頻率為因變量構(gòu)建線(xiàn)性回歸模型?；谏鲜鼍€(xiàn)性回歸模型，最終找到要求的1階諧振頻率(即主陀螺的諧振頻率)對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)，使得配合陀螺(如70陀螺)的1階諧振頻率與主陀螺(如90陀螺)的1階諧振頻率一致。

37、該線(xiàn)性回歸模型基于具有參數(shù)可驅(qū)動(dòng)的有限元仿真軟件構(gòu)建，優(yōu)化過(guò)程中每一次迭代都需要完成一輪次仿真計(jì)算；

38、通過(guò)改變陀螺等效剛度參數(shù)值及激光陀螺的幾何參數(shù)，經(jīng)過(guò)仿真迭代，最終得到滿(mǎn)足工程精度要求的等效剛度值，使配合陀螺(如70陀螺)的1階諧振頻率與主陀螺(如90陀螺)的1階諧振頻率一致，實(shí)現(xiàn)了二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率的設(shè)計(jì)。

39、本發(fā)明基于以下原理：基于虛擬仿真模型的仿真結(jié)果和激光陀螺的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，建立以陀螺等效剛度參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率仿真誤差模型，以各階諧振頻率誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化迭代，獲得與主陀螺(如90陀螺)1階諧振頻率一致的配合陀螺(如70陀螺)的1階諧振頻率，形成最終的二頻機(jī)抖激光陀螺諧振頻率設(shè)計(jì)方案。

40、本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明方法基于仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)改變陀螺等效剛度參數(shù)值及激光陀螺的幾何參數(shù)，能夠快速找到最優(yōu)的諧振頻率，滿(mǎn)足不同尺寸二頻機(jī)抖激光陀螺的配合需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陀螺諧振頻率的設(shè)計(jì)；建立誤差分析優(yōu)化模型，并采用優(yōu)化算法，提高了設(shè)計(jì)效率，對(duì)提高慣導(dǎo)系統(tǒng)建模準(zhǔn)確度和仿真準(zhǔn)確度具有重要意義。