近声场悬浮式球转子陀螺的驱动与姿态感知机理研究

针对航天、航空和航海等领域对高精度姿态测量的广泛需求，研究利用近声场来实现驱动的悬浮式陀螺及其姿态自敏感机理，在此基础上探索一种集驱动与传感一体、结构紧凑且兼顾成本的姿态敏感技术。项目立足于材料、结构及系统的功能三个层面来进行，探索高性能功能材料直接构成振动结构以诱发高强度、稳定和可控行波声场的方法，研究所涉及的非线性声学、振动学、功能材料驱动以及多场耦合等问题，揭示近声场悬浮和驱动陀螺球转子的运行机理，探索球形定/转子间声场的分布规律及其与边界条件之间的因果联系，解析定/转子相对姿态与谐振声场扰动、功能材料反馈信号的数理关系并开展参数化分析，确定分布式激励和反馈单元的设计原则，最终试制出样机系统对原理和功能进行验证。总结、提炼具有姿态自敏感功能的近声场悬浮式陀螺的设计理论和方法，一方面促进压电精密驱动技术、声学技术与惯性技术的交叉发展，同时为高精度、低成本导航和惯性仪表提供新的研究方向。

围绕近场超声悬浮及驱动技术在球转子陀螺中的创新原理和构造，开展了新型球转子式非接触式压电作动器及悬浮式陀螺研究，研究了利用近声场来实现悬浮和驱动的陀螺及其姿态敏感机理。首先，研究了利用高性能功能材料直接构成球形定子结构以诱发高强度、稳定和可控行波声场的方法，分析了近场超声悬浮的物理本质和动力学机制。采用数值方法参数化分析了球形定/转子间声场的分布规律及其与边界条件之间的因果联系，研究了定/转子相对姿态与超声场扰动、功能材料反馈信号的数理关系，理论结合试验研究了分布式激励和反馈单元的设计原则。其次，针对当前机械转子式陀螺仪的发展现状，提出了将近场超声悬浮应用于转子式陀螺支承和驱动的基本原理，并给出了超声悬浮式陀螺仪的定义和姿态检测方法，提出了多种可用于构建超声悬浮球转子陀螺仪的非接触式压电作动器。建立了不同构型超声悬浮陀螺的声固耦合模型，深入分析了结构诱发近声场作用的物理机制，探索了压电功能材料试制压电球冠的设计方法及工艺。制作了碗式压电作动器和轴/径向耦合式压电作动器样机，开展了定子模态试验、悬浮和转速特性的试验分析，两种方案的样机均成功实现了球转子陀螺的悬浮和旋转，并初步验证了姿态检测原理的可行性。在上述工作的基础上，总结、提炼具有姿态敏感功能的近声场悬浮式陀螺的设计理论和方法，一方面促进压电精密驱动技术、声学技术与惯性技术的交叉发展，同时为高精度、低成本导航和惯性仪表提供新的研究方向。