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GNSS gyroscopes:determination of angular velocity and acceleration with very high-rate GNSS
2024年
Although global navigation satellite systems(GNSS)have been routinely applied to determine attitudes,there exists no literature on determining angular velocity and/or angular acceleration from GNSS.Motivated by the invention of computerized accelerometers of the correspondence author and following the success of accurately recovering translational velocity and acceleration waveforms from very high-rate GNSS precise positioning by Xu and his collaborators in 2021,we propose the concept of GNSS gyroscopes and reconstruct angular velocity and acceleration from very high-rate GNSS attitudes by applying regularization under the criterion of minimum mean squared errors.The major results from the experiments can be summarized in the following:(i)angular velocity and acceleration waveforms computed by applying the difference methods to high-rate GNSS attitudes are too noisy and can be physically not meaningful and numerically incorrect.The same can be said about inertial measurement unit(IMU)attitudes,if IMU gyros are not of very high accuracy;(ii)regularization is successfully applied to reconstruct the high-rate angular velocity and acceleration waveforms from 50 Hz GNSS attitudes and significantly outperforms the difference methods,validating the proposed concept of GNSS gyroscopes.By comparing the angular velocity and acceleration results by using the difference methods and regularization,we find that the peak values of angular velocity and acceleration by regularization are much smaller by a maximum factor of 1.57 in the angular velocity to a maximum factor of 8662.53 times in the angular acceleration in the case of high-rate GNSS,and by a maximum factor of 1.26 in the angular velocity to a maximum factor of 2819.85 times in the angular acceleration in the case of IMU,respectively;and(iii)the IMU attitudes apparently lead to better regularized angular velocity and acceleration waveforms than the high-rate GNSS attitudes,which can well be explained by the fact that the former is of better accuracy than the latter.As
Yun ShiPeiliang XuYuanming ShuXiaolin Meng
关键词:REGULARIZATION
光纤陀螺用集成光收发模块耦合移位对耦合损耗和平均波长的影响研究
2024年
集成光收发模块作为集成化光纤陀螺的关键器件之一,能够实现光源、探测器和耦合器等功能,其光路的耦合移位会显著影响光路耦合效率和平均波长,从而影响陀螺的零偏和标度因数等性能。文章对空间光路进行理论建模,使用重叠积分法计算耦合效率;使用Beamprop方法进行仿真分析,得到不同耦合位移下的耦合损耗以及平均波长漂移;最后通过对比实验对理论和仿真情况进行了验证。结果表明,耦合损耗受y轴方向耦合移位的影响最大,平均波长漂移受z轴方向耦合移位的影响最大,并给出了不同耦合损耗下的平均波长漂移,为集成光收发模块的光路耦合及优化工作提供参考。
张江远于海成柳建春冯文帅
关键词:光纤陀螺耦合损耗
应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制
2024年
为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes,VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明:通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。
林子杰陆国平吕旺吴宝林李化义
关键词:变速控制力矩陀螺挠性航天器自适应控制
环境对大型激光陀螺仪的影响研究综述
2024年
基于萨格纳克效应的大型激光陀螺仪被认为是精确监测地球自转的合适传感器,可用于潜在的地面科学研究和重大工程应用,如世界时UT1精密测量,地球固体潮观测、旋转地震波探测、广义相对论预言引力磁效应等领域。激光陀螺的灵敏度随环形腔尺寸增大而提高,其运行的长期稳定性受环境变化的影响。本文从激光陀螺仪工作原理出发,梳理了温度、倾斜、气压和风等环境变化对大型激光陀螺仪灵敏度和稳定度的影响,分析说明监测环境因素变化对其输出的萨格纳克频差修正和处置方法,为提高大型激光陀螺仪应用性能提供相关指导。
张旭郭文阁王飞胡天籁刘帆张立松高玉平张首刚
关键词:环境影响温度气压
Optically levitated micro gyroscopes with an MHz rotational vaterite rotor
2024年
The field of levitated optomechanics has experienced significant advancements in manipulating the translational and rotational dynamics of optically levitated particles and exploring their sensing applications.The concept of using optically levitated particles as gyroscopes to measure angular motion has long been explored but has not yet been proven either theoretically or experimentally.In this study,we present the first rotor gyroscope based on optically levitated high-speed rotating particles.The gyroscope is composed of a micrometer-size ellipsoidal vaterite particle that is driven to rotate at MHz frequencies in a vacuum environment.When an external angular velocity is input,the optical axis deviates from its initial position,resulting in changes in the frequency and amplitude of the rotational signal.By analyzing these changes,the angular velocity of the input can be accurately detected,making it the smallest rotor gyroscope in the world.The angular rate bias instability of the gyroscope is measured to be 0.08°/s and can be further improved to as low as 10^(−9)°/h theoretically by cooling the motion and increasing the angular moment of the levitated particle.Our work opens a new application paradigm for levitated optomechanical systems and may pave the way for the development of quantum rotor gyroscopes.
Kai ZengXiangming XuYulie WuXuezhong WuDingbang Xiao
关键词:ROTATIONALANGULAR
基于RFIO的等效反向旋转随钻陀螺仪误差参数识别
2024年
为提高随钻姿态测量精度,提出一种基于旋转霜冰优化器(RFIO)的等效反向旋转随钻陀螺仪误差参数识别方法。首先对等效反向旋转惯导进行误差分析,以随钻姿态误差构造等效反向旋转误差目标函数,以钻停时角速度、加速度和磁场强度关系构造等效反向旋转误差约束条件,通过RFIO算法辨识误差参数。其次,根据历史目标函数、莱维飞行及RFIO迭代次数设计一种动态上下界策略,提高了目标函数的识别速度;根据当前目标函数值与最优值之间距离设计一种旋转游走策略,提高了误差参数识别精度。实验结果表明,工具面角和井斜角误差控制在±0.4°左右,方位角误差控制在±0.8°左右。与未等效反向旋转相比,工具面角精度提升约60%,井斜角精度提升约66.7%,方位角精度提升约70.4%。
杨金显王赛飞袁旭瑶
馈通效应下微机械陀螺仪标度因数特性分析
2024年
微机械陀螺仪可动质量块、衬底和电极间存在复杂的寄生电容,使得陀螺仪的反馈力电极与检测读出电极间存在馈通效应。为研究馈通效应对微机械陀螺仪标度因数特性的影响,首先基于理论模型分析了不同模态频差下,馈通效应对检测回路开环零点分布的影响,进而分析了存在馈通时模态频差对标度因数的影响。其次,建立了存在馈通时的力反馈仿真模型。最后设计了基于分时控制的馈通抑制方案,实验结果显示,无馈通抑制和有缓冲周期分时控制的标度因数最大变化量分别为70.2%和1.3%。仿真与实验结果均表明馈通效应越显著,标度因数随模态频差的变化幅度越大。
徐乾政丁徐锴李宏生
关键词:标度因数
基于扫频检测的微机械陀螺耦合误差系数辨识
2024年
为减小微机械陀螺阻尼耦合、刚度耦合、力耦合误差的影响,提出一种基于扫频检测的微机械陀螺耦合误差系数辨识方法。首先,拓展了微机械陀螺动力学方程并建立误差模型,表明耦合误差造成陀螺输出不稳定且难以消除。其次,推导了耦合误差系数辨识方法,通过数值仿真分析了幅值、相位检测误差对辨识精度的影响,并给出不同误差系数下辨识结果的理论相对误差分布。结果表明,所提方法对耦合误差系数的辨识范围存在局限性;测量误差对辨识结果的影响不可忽略。最后,对某陀螺进行耦合误差系数辨识实验验证,结果表明:该陀螺力耦合系数、阻尼耦合系数、刚度耦合系数的辨识误差分别为0.542 ppm、6.09%、0.205 ppm;辨识曲线的拟合优度为0.99。
郑旭东夏陈浩王雪同佟文元
关键词:微机械陀螺
基于光纤陀螺的温度补偿模型改进、压缩和FPGA实现
2024年
为提高光纤陀螺(FOG)在变温环境下输出误差的补偿精度,在长短期记忆神经网络模型(LSTM)基础上,利用分段非线性粒子群算法(PN-PSO)对LSTM模型超参数寻优,建立PN-PSO-LSTM光纤陀螺温度补偿模型。为有效降低计算和存储开销,便于部署在资源受限的硬件环境中,提出一套适用于光纤陀螺应用场景的模型压缩方案,包括:知识蒸馏、剪枝、激活函数线性化、定点数量化等。最后基于Xilinx公司某芯片完成部署。对比实验结果表明,相较于传统反向传播(BP)模型和传统PSO-LSTM模型,采用所提模型补偿后,陀螺零偏输出均方误差分别降低74.4%和53.5%,模型压缩后在大小减小94.1%的同时,陀螺零偏输出均方误差仍然比传统全精度模型更低,在FPGA实现后对比PC端模型推理速度提升98.47%。
杨雷静王竣可苏杭
关键词:光纤陀螺温度补偿
基于LSTM神经网络的机载光纤陀螺温度冲击误差补偿技术
2024年
环境温度冲击会降低机载光纤陀螺的性能,从而影响飞行器导航和姿态控制精度。在光纤陀螺误差机理研究基础上,本文提出一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的光纤陀螺温度误差补偿模型。该模型通过LSTM网络对光纤陀螺的零偏和标度因数进行实时预测和校正,提高光纤陀螺的测量精度。试验结果表明,在温度冲击下,LSTM预测模型补偿后的标度因数误差小于30ppm,零偏稳定性比常规的线性拟合补偿模型提高0.0034(°)/h。这意味着输出更准确地反映实际角速度值,陀螺仪的零偏漂移更小,输出更接近于零值。动态试验中转台输入为20(°)/s时,LSTM补偿后陀螺输出稳定在19.999~20.001(°)/s区间内,相较于陀螺原始输出误差降低0.008(°)/s。通过LSTM预测模型补偿,能够在环境变化、外部扰动或传感器故障时,通过陀螺仪提供更可靠的数据支持,维持飞行器的稳定性和安全性。
何昆鹏赵瑾玥周琪蒋昱飞任永甲涂勇强
关键词:光纤陀螺仪零偏标度因数

相关作者

陈家斌
作品数:188被引量:901H指数:16
供职机构:南京航空航天大学
研究主题:惯性导航 寻北仪 惯性导航系统 光纤陀螺 卡尔曼滤波
陆恺
作品数:35被引量:82H指数:6
供职机构:上海交通大学
研究主题:捷联系统 静电陀螺 静电陀螺仪 卡尔曼滤波 卫星