[发明专利]一种四自由度微机械陀螺阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于四自由度微机械陀螺的阵列结构。

背景技术

微机械陀螺的研究开始于上世纪80年代末，是一种新型的微小型惯性导航元器件。与传 统的机械陀螺和光学陀螺相比，其优点是体积小、重量轻、耗电量小、寿命长、成本低、易 集成、可靠性高，能大量生产，是未来新型惯性导航技术领域的核心元器件之一。目前，微 机械陀螺的研究主要分为单自由度和多自由度两大类：单自由度微机械陀螺采用的是1-DOF 驱动结构和1-DOF敏感结构，通过驱动模态和敏感模态的自然频率匹配来实现驱动模态和敏 感模态同时达到共振，从而提高陀螺的灵敏度；多自由度陀螺主要是将2-DOF结构(动态吸 振器结构，DVA或完全的2-DOF振动结构)应用到微机械陀螺的驱动模态或敏感模态，通过 2-DOF振动结构的频率响应中两个峰值之间的平坦区域来提高陀螺的3dB带宽，从而提高微 机械陀螺的稳定性。

在多自由度微机械陀螺结构中，动态吸振器结构(DVA)或完全的2-DOF振动结构在实现 驱动模态和敏感模态解耦的同时，可以提高系统的带宽，从而提升系统的稳定性，增强抗干 扰能力。然而在目前公开发表的多自由度微机械陀螺的结构中，2-DOF振动结构模态的增益 相对比较低，这样会导致系统整体的灵敏度降低，影响实际应用中陀螺的测量精度。尤其是 驱动模态和敏感模态都采用2-DOF振动结构时，两个模态的增益同时降低，严重影响陀螺的 整体灵敏度，限制了陀螺的实际应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升系统稳定性和灵敏度的四自由度微机械陀螺阵列。

本发明的目的是这样实现的：

本发明由四自由度微机械陀螺排列组成，四自由度微机械陀螺包括驱动质量块、驱动静 梳齿、驱动动梳齿、解耦框架、监测质量块、敏感质量块、敏感静梳齿和敏感动梳齿，驱动 静梳齿和驱动动梳齿构成电容梳齿式驱动单元，所述驱动单元设置在驱动质量块上，驱动质 量块和四个锚点Ⅰ通过两个工形梁相连，驱动质量块和解耦框架通过四个折叠梁Ⅰ相连，解 耦框架和四个锚点Ⅱ通过两个工形梁Ⅱ连接，构成驱动模态；检测质量块和解耦框架通过四 个折叠梁Ⅱ相连，检测质量块和敏感质量块通过四个折叠梁Ⅲ相连，敏感质量块和四个锚点 Ⅲ通过两个工形梁Ⅲ相连，敏感静梳齿和敏感动梳齿构成电容梳齿式敏感单元，所述敏感单 元设置在敏感质量块上，构成敏感模态；通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角 速度，所述的驱动模态设置在四自由度微机械陀螺的结构内部，敏感模态设置在四自由度微 机械陀螺的外围，敏感质量块设置在所有陀螺单元的外部。

四自由度微机械陀螺共用一个敏感质量块，各个陀螺单元的驱动单元和检测质量块相互 独立。

本发明的有益效果在于：通过这种新型的陀螺阵列的形式，将若干4-DOF陀螺单元有效 地组合在一起，使得陀螺阵列不仅拥有良好的系统稳定性，而且可以有效地提高陀螺阵列的 灵敏度。

附图说明

图1是本发明的陀螺单元的结构框架图；

图2是本发明的陀螺单元的简化模型；

图3是本发明的阵列结构框架图；

图4是本发明的阵列结构简化模型；

图5是本发明的驱动模态的幅频响应；

图6是本发明的敏感模态的幅频响应。

具体实施方式

该微机械陀螺阵列结构将若干个新型4-DOF微机械陀螺单元以一定的方式组合在一起。 新型的4-DOF微机械陀螺单元拥有较好的系统带宽，而陀螺阵列利用组合的方式，既可以通 过4-DOF陀螺单元来提升系统的稳定性，又可以通过组合来提高系统的灵敏度。

一种新的四自由度微机械陀螺结构，由完全的2-DOF驱动模态和完全的2-DOF敏感模 态构成，基于该四自由度微机械陀螺结构设计了一种多自由度的微机械陀螺阵列结构。