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多功能无驱动结构微机械陀螺利用旋转体自旋作为驱动，结构简单、成本低、可靠性高，可同时敏感旋转体的滚动、俯仰、偏航3个角速度。本书系统地介绍了该陀螺的基本原理和关键技术，主要内容包括：多功能无驱动结构微机械陀螺的理论基础；抑制旋转体滚动速度变化影响的方法；基于相位差的微机械陀螺姿态解调方法；基于微机械陀螺的旋转体姿态解调研究；基于DSP2812 的微机械陀螺姿态传感器的设计与实现。 本书可作为高等院校导航与制导、自动化、测量仪器与技术等相关专业研究生参考书，也可用作相关专业的科研人员和工程技术人员的技术参考书。

第 1章 绪论 ……………………………………………………………………… 001

1.1 研究背景及意义 ……………………………………………………… 002

1.2 国内外研究现状 ……………………………………………………… 005

1.2.1 微机械陀螺在国外的研究现状 …………………………… 006

1.2.2 微机械陀螺在国内的研究现状 …………………………… 010

1.3 微机械陀螺分类 ……………………………………………………… 012

1.3.1 压阻式陀螺 …………………………………………………… 015

1.3.2 压电式陀螺 …………………………………………………… 017

1.3.3 电容式陀螺 …………………………………………………… 018

1.4 本书的研究对象、 内容和方法 ……………………………………… 022

1.4.1 研究对象 ……………………………………………………… 022

1.4.2 关键科学问题 ………………………………………………… 023

1.5 本书的章节安排 ……………………………………………………… 025

第 2章 多功能无驱动结构硅微机械陀螺的理论分析 ……………………… 027

2.1 微机械陀螺结构及基本原理 ………………………………………… 028

2.2 数学模型………………………………………………………………… 030

2.2.1 动力学分析 …………………………………………………… 031

2.2.2 坐标变换 ……………………………………………………… 033

2.2.3 微机械陀螺数学模型………………………………………… 035

2.2.4 微机械陀螺输出函数分析 ………………………………… 039

2.3 实验验证及分析 ……………………………………………………… 045

2.3.1 测试装置 ……………………………………………………… 045

0 02

2.3.2 输出信号与理论计算信号比较 …………………………… 046

2.3.3 输出信号频谱分析…………………………………………… 048

2.4 本章小结………………………………………………………………… 055

第3章 抑制旋转体滚动速度变化影响的方法 ……………………………… 057

3.1 问题描述………………………………………………………………… 058

3.2 抑制滚动角速度变化对输出信号影响的方法 ……………………… 060

3.3 抑制影响方法验证 …………………………………………………… 062

3.4 本章小结………………………………………………………………… 068

第4章 基于相位差的微机械陀螺姿态解调方法 …………………………… 069

4.1 陀螺输出信号和基准信号( 加速度计) 之间

的相位差的研究 ……………………………………………………… 070

4.1.1 参考坐标系建立 ……………………………………………… 070

4.1.2 相位比较 ……………………………………………………… 071

4.1.3 偏转方向判断 ………………………………………………… 072

4.1.4 相位差方法理论分析及验证 ……………………………… 073

4.2 影响相位差因素的分析 ……………………………………………… 077

4.2.1 滚动角速度变化及输入角速度变化的影响 ……………… 077

4.2.2 加速度计调制问题…………………………………………… 079

4.2.3 温度影响 ……………………………………………………… 080

4.3 相位差补偿算法及验证 ……………………………………………… 084

4.3.1 相位差补偿算法 ……………………………………………… 084

4.3.2 相位差补偿验证 ……………………………………………… 085

4.4 讨论 ……………………………………………………………………… 088

4.5 本章小结………………………………………………………………… 089

第5章 基于微机械陀螺的旋转体姿态解调研究 …………………………… 090

5.1 问题描述………………………………………………………………… 091

5.2 解调算法………………………………………………………………… 092

5.2.1 滤波算法及仿真 ……………………………………………… 092

5.2.2 滚动角速度和角位置算法 ………………………………… 097

5.2.3 信号包络求取 ………………………………………………… 097

5.2.4 输入角速度求取 ……………………………………………… 099

5.2.5 微机械陀螺与加速度计相位差 …………………………… 099

5.2.6 偏航俯仰角速度和角位置 ………………………………… 100

多功能无驱动结构微机械陀螺研究

0 03

5.3 仿真实验………………………………………………………………… 101

5.4 讨论 ……………………………………………………………………… 104

5.5 本章小结………………………………………………………………… 105

第6章 基于 DSP2812的微机械陀螺姿态传感器的研制 …………………… 106

6.1 系统硬件设计 ………………………………………………………… 107

6.1.1 DSP2812 ……………………………………………………… 108

6.1.2 敏感元件 ……………………………………………………… 108

6.1.3 信号调理电路 ………………………………………………… 110

6.1.4 数据采集模块 ………………………………………………… 114

6.1.5 数字信号处理模块…………………………………………… 116

6.2 软件设计………………………………………………………………… 122

6.2.1 软件总体架构 ………………………………………………… 122

6.2.2 主程序 ………………………………………………………… 122

6.2.3 初始化模块 …………………………………………………… 123

6.2.4 看门狗模块 …………………………………………………… 124

6.2.5 中断模块 ……………………………………………………… 124

6.2.6 数据处理子程序 ……………………………………………… 124

6.2.7 串口发送子程序 ……………………………………………… 125

6.3 测试分析………………………………………………………………… 128

6.4 本章小结………………………………………………………………… 131

第7章 结论与展望 ……………………………………………………………… 132

7.1 本书主要研究成果 …………………………………………………… 133

7.2 后续工作展望 ………………………………………………………… 135

参考文献 …………………………………………………………………………… 136

附录 多功能无驱动结构微机械陀螺信号处理部分程序代码 ……………… 147

后记 ………………………………………………………………………………… 154

吴立锋 博士，教授。中国计算机学会会员，容错计算专委会委员，中国系统仿真学会智能物联系统委员会委员，技术过程的故障诊断与安全性专业委员会委员。主持国家自然基金2项，北京市自然基金面上1项，北京市自然基金-北京市*重点项目1项，北京市留学择优资助优秀类项目1项，北京市*面上项目1项。发表学术论文40余篇，授权发明专利4项。2013年入选北京市高等学校青年英才计划，2011年获北京市科技技术奖二等奖。

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