一種集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)及建立方法，屬于陀螺儀仿真領域。

背景技術：

1、陀螺儀作為慣性導航和定位系統(tǒng)中的關鍵組件，其性能和可靠性對于整個系統(tǒng)至關重要?，F(xiàn)有的陀螺儀通常依賴于復雜的硬件電路和檢測系統(tǒng)，這不僅增加了成本，而且限制了設計的靈活性和迭代速度。傳統(tǒng)的檢測和校準過程往往耗時且成本高昂。此外，隨著應用場景的多樣化，對陀螺儀性能的要求也在不斷提高，包括更高的精度、更快的響應時間和更好的穩(wěn)定性。

2、隨著新一代信息技術的快速發(fā)展，通過算法優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)已成為提升性能參數(shù)的有效手段。然而，將算法數(shù)字化優(yōu)化應用于諧振陀螺性能的提升與電路仿真的系統(tǒng)整合尚未實現(xiàn)，其可視化也未得到充分開發(fā)。這一領域的探索具有巨大的應用潛力。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種提升了諧振陀螺儀的性能以及設計的靈活性和迭代速度的提升。通過可視化操作界面，能夠直觀地進行參數(shù)輸入和結(jié)果觀察，大大提高了設計的交互性和直觀性，實現(xiàn)了虛擬數(shù)字陀螺儀系統(tǒng)級仿真的可視化操作的集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)及建立方法。

2、本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：該集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)，其特征在于：包括：前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型、mopso算法優(yōu)化模型，后端電路模型、關鍵動力學參數(shù)計算模型以及可視化模型，前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型、mopso算法優(yōu)化模型，后端電路模型、關鍵動力學參數(shù)計算模型分別連接可視化模型；前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型和mopso算法優(yōu)化模型的輸入端分別接入陀螺儀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型和關鍵動力學參數(shù)計算模型的輸出端還分別連接mopso算法優(yōu)化模型的輸入端，mopso算法優(yōu)化模型的輸出端還連接后端電路模型。

3、優(yōu)選的，可視化模型中包括陀螺儀仿真可視模塊、算法優(yōu)化結(jié)構(gòu)可視化模塊以及虛擬驅(qū)動檢測電路可視化模塊，前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型的輸出端連接可視化模型中的陀螺儀仿真可視模塊，關鍵動力學參數(shù)計算模型同時連接陀螺儀仿真可視模塊，mopso算法優(yōu)化模型的輸出端連接可視化模型中的算法優(yōu)化結(jié)構(gòu)可視化模塊，后端電路模型的輸出端連接可視化模型中的虛擬驅(qū)動檢測電路可視化模塊。

4、優(yōu)選的，在后端電路模型中，通過simulink搭建了陀螺儀器的虛擬驅(qū)動和檢測電路。

5、優(yōu)選的，前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型與虛擬檢測電路之間實現(xiàn)參數(shù)同步的系統(tǒng)級連接。

6、一種集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)的建立方法，其特征在于：包括如下步驟：

7、步驟1，建立前端陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真模型；

8、在構(gòu)建諧振陀螺的前端仿真模型的過程中，首先提取待研究結(jié)構(gòu)的關鍵尺寸參數(shù)，并將這些參數(shù)設定為仿真模型和集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)的輸入變量，此后，引入固體力學和熱力學等物理場，對模型實施網(wǎng)格化處理，仿真得到工作模態(tài)的頻率、品質(zhì)因數(shù)和殼體單元位移等關鍵參數(shù)；

9、步驟2，建立關鍵動力學參數(shù)計算模型；

10、關鍵動力學參數(shù)計算模型，通過將仿真得到的諧振陀螺仿真性能參數(shù)作為輸入，計算并輸出關鍵動力學性能參數(shù)；

11、步驟3，建立mopso算法優(yōu)化模型；

12、利用多目標粒子群優(yōu)化算法，對諧振陀螺的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，生成pareto最優(yōu)解集；

13、步驟4，建立后端電路模型；

14、通過數(shù)字虛擬技術，用simulink搭建了陀螺虛擬驅(qū)動和檢測電路，對電路進行數(shù)字化虛擬構(gòu)建，包括整體檢測環(huán)路的設計、驅(qū)動環(huán)路的設計以及各種誤差對陀螺儀的具體影響；

15、步驟5，建立可視化輸出模塊；

16、通過圖形用戶界面編程進行可視化用戶交互界面的設計，包括前端諧振陀螺仿真性能參數(shù)的輸入以及模態(tài)驅(qū)動檢測等結(jié)果的輸出，形成陀螺儀仿真可視模塊、算法優(yōu)化結(jié)構(gòu)可視化模塊和虛擬驅(qū)動檢測電路可視化模塊。

17、優(yōu)選的，步驟2，包括如下步驟：

18、步驟2-1，建立形函數(shù)的數(shù)字模型：

19、

20、其中，q1、q2為振動位移的兩個廣義坐標，u為殼體單元位移，φ為形狀函數(shù)，也稱為法模態(tài)向量，是殼的無限小質(zhì)量單元的位移向量，歸一化為單個模態(tài)的最大振幅，(φx1，φy1，φz1)和(φx2，φy2，φz2)為兩種工作模態(tài)的形函數(shù)；

21、步驟2-2，建立有效質(zhì)量meff、角增益ag和角度隨機游走ωarw的動力學參數(shù)的模型：

22、

23、其中，ρ為材料密度，ω為工作模態(tài)頻率，qdrive為振動幅值，kb為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度。

24、優(yōu)選的，步驟4，包括如下步驟：

25、步驟4-1：建立虛擬驅(qū)動電路模型；

26、前端輸入諧振陀螺的工作模態(tài)頻率、品質(zhì)因數(shù)以及殼體單元的位移和角增益作為關鍵動力學參數(shù)，虛擬電路驅(qū)動參數(shù)包括了電極間隙、直流偏置大小；

27、步驟4-2：建立虛擬檢測電路模型；

28、虛擬檢測電路模型通過simulink模型生成信號，關鍵輸入?yún)?shù)包括輸入角速率、信號頻率、信號增益，以及針對兩個模態(tài)的干擾信號特性，包高頻干擾的幅值和頻率、高斯白噪聲的信噪比。

29、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

30、通過本集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)及建立方法，提升了諧振陀螺儀的性能以及設計的靈活性和迭代速度的提升。通過可視化操作界面，能夠直觀地進行參數(shù)輸入和結(jié)果觀察，大大提高了設計的交互性和直觀性，實現(xiàn)了虛擬數(shù)字陀螺儀系統(tǒng)級仿真的可視化操作。

31、通過本集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)及建立方法，提供一個集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)。通過建立前端諧振陀螺仿真模型，該模型能夠根據(jù)輸入的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，仿真計算得到任意尺寸諧振陀螺的工作模態(tài)頻率、品質(zhì)因數(shù)和殼體單元位移等關鍵參數(shù)。并將結(jié)果輸入到關鍵動力學參數(shù)計算模塊。關鍵動力學參數(shù)計算模塊接收仿真模型的輸出參數(shù)，計算并輸出有效質(zhì)量、角增益和角度隨機游走等關鍵動力學性能參數(shù)。還可以通過多目標算法優(yōu)化模塊對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，顯著提升諧振陀螺儀的動力學性能。通過數(shù)字虛擬技術，用simulink搭建了陀螺虛擬檢測電路。該電路包括整體檢測環(huán)路的設計、驅(qū)動環(huán)路的設計，以及模擬各種誤差對陀螺儀的具體影響。前端諧振陀螺仿真模型與虛擬檢測電路間建立參數(shù)同步的系統(tǒng)連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)化集成和數(shù)字化虛擬化的目標。虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)首次做到了結(jié)構(gòu)與電路的聯(lián)合仿真設計，大大提高了陀螺設計的效率。

32、通過多目標粒子群優(yōu)化(mopso)算法對諧振陀螺的結(jié)構(gòu)進行精細優(yōu)化，能夠顯著提升其動力學性能。這種方法不僅能夠獲得最優(yōu)的動力學參數(shù)，而且為設計人員在結(jié)構(gòu)設計階段提供了重要的參考依據(jù)。

33、通過數(shù)字虛擬技術，用simulink搭建了陀螺虛擬檢測電路，對電路進行數(shù)字化虛擬構(gòu)建，包括整體檢測環(huán)路的設計、驅(qū)動環(huán)路的設計以及各種誤差對陀螺儀的具體影響；得到了后端simulink模型。其中，前端諧振陀螺仿真模型與數(shù)字化虛擬電路間建立參數(shù)同步的系統(tǒng)連接。

34、集成式虛擬數(shù)字陀螺儀仿真系統(tǒng)，不僅能夠基于特定結(jié)構(gòu)尺寸提供性能參數(shù)，還能進一步滿足用戶的定制化需求。系統(tǒng)將捕獲的各結(jié)構(gòu)尺寸與相應的動力學參數(shù)之間的映射關系，集成至優(yōu)化算法模塊中。