谐振陀螺有限元仿真模态识别方法技术

本发明专利技术提供了一种谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，包括步骤1：利用有限元仿真计算或实验方法获取一张工作模态形状图像，作为模态识别的参考图像；步骤2：利用有限元仿真计算或实验方法获取基于谐振陀螺模型的多个模态图像；步骤3：提取每个模态图像的最外侧轮廓的图像边缘；步骤4：基于轮廓匹配算法，计算提取图像边缘后的每个模态图像的图像矩；步骤5：计算每个模态图像的图像矩与参考图像的图像矩的欧氏距离，选取欧氏距离最短的作为工作模态。本发明专利技术实现了谐振陀螺有限元仿真中工作模态的自动识别，可以有效的提高有限元仿真效率，节省仿真时间。节省仿真时间。节省仿真时间。

【技术实现步骤摘要】
谐振陀螺有限元仿真模态识别方法


[0001]本专利技术涉及谐振陀螺领域，具体地，涉及一种谐振陀螺有限元仿真模态识别方法。

技术介绍

[0002]陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。陀螺谐振子的结构特性会直接影响陀螺仪的性能指标，高精度的谐振陀螺仪需要较高的品质因子和较高的灵敏度。有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，此方法可以应用在谐振陀螺领域实现对谐振结构的快速优化设计。
[0003]专利文献CN102968540B(申请号：CN201210509740.9)公开了一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，该方法包括：(1)建立压电振动陀螺的有限元模型，并根据实际情况配置各部分材料、结构等参数；(2)应用模态分析得出谐振子的固有频率和相关振型，并在此基础上向压电电极施加正弦激励电压进行谐响应分析；(3)通过步骤(2)的分析结果推导出激励电极各参数对谐振子的影响规律；(4)综合多方面考虑，选取最优设计参数。
[0004]为了优化谐振陀螺的结构参数，可以通过使用有限元分析软件研究谐振陀螺主要的结构参数对其关键性能的影响。由于模态分析会给出初始频率附近的多个模态，如何从中识别出想要的工作模态是首先必须解决的技术问题。
[0005]目前最常用的方法为人工根据仿真得到的模态形状识别模态的阶数，这种方法准确度比较高。但是，该方法需要在仿真过程中人为进行干预，无法保证仿真的连续性，也很难将遗传算法、粒子群算法等智能优化算法用于模型的快速优化。当仿真模型数过多或仿真参数变化范围较大时，这种方式会耗费大量的时间成本和人力成本。因此基于轮廓匹配算法，发展一种谐振陀螺有限元仿真模态识别算法，对解决谐振陀螺传感器结构设计中的快速优化问题具有重要意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种谐振陀螺有限元仿真模态识别方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：利用有限元仿真计算或实验方法获取一张工作模态形状图像，作为模态识别的参考图像；
[0009]步骤2：利用有限元仿真计算或实验方法获取基于谐振陀螺模型的多个模态图像；
[0010]步骤3：提取每个模态图像的最外侧轮廓的图像边缘；
[0011]步骤4：基于轮廓匹配算法，计算提取图像边缘后的每个模态图像的图像矩；
[0012]步骤5：计算每个模态图像的图像矩与参考图像的图像矩的欧氏距离，选取欧氏距离最短的作为工作模态。
[0013]优选地，所述参考图像的图像矩为所述参考图像的不变矩；具体为7个不变矩，以R1,R2
……
R7为表示。
[0014]优选地，所述步骤2包括：
[0015]步骤2.1：在有限元仿真软件中建立谐振陀螺的结构模型,建立谐振陀螺结构的几何参数及其变量；
[0016]步骤2.2：在有限元仿真软件中根据谐振陀螺的结构模型建立谐振陀螺的有限元模型，计算谐振陀螺的特征频率，或者实验方法获取谐振陀螺的特征频率；
[0017]步骤2.3：根据器件设计需求，选取若干组几何参数组合，仿真或者实验得到每组参数对应的若干特征频率下的模态图像。
[0018]优选地，所述有限元仿真软件采用COMSOL、ANSYS。
[0019]优选地，所述谐振陀螺结构包括但不仅限于半球谐振陀螺、环形谐振陀螺、质量块陀螺仪；
[0020]所述半球谐振陀螺的几何参数包括但不仅限于：球壳厚度、球壳半径、支撑柱长度、支撑柱半径；
[0021]所述环形谐振陀螺的几何参数包括但不仅限于：环宽、辐条长度、环数、环厚、内半径大小、辐条宽度；
[0022]所述质量块陀螺仪的几何参数包括但不仅限于：质量块大小、折叠梁长度、折叠梁宽度、谐振器厚度。
[0023]优选地，所述步骤3包括：
[0024]步骤3.1：将彩色图像灰度化；
[0025]步骤3.2：将灰度图像转换为二值图像；
[0026]步骤3.3：将图像颜色反转，即白色的区域变成黑色，黑色的区域变成白色；
[0027]步骤3.4：将反转后的空洞区域进行填充；
[0028]步骤3.5：将填充后的图像进行膨胀；
[0029]步骤3.6：提取膨胀后的图像的边缘，即为模态图像的最外侧轮廓。
[0030]优选地，所述模态图像的图像矩包括：(p+q)阶标准矩m
pq
、(p+q)阶原点矩μ
pq
、(p+q)阶归一化中心矩η
pq
；具有平移、灰度、尺度、旋转不变性的具有高度浓缩的图像特征的不变矩；具体为7个不变矩M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7。
[0031]优选地，所述(p+q)阶标准矩m
pq
为：
[0032][0033]其中p＝0,1,2
……
M，q＝0,1,2
……
N,均为整数，x表示像素点的横坐标，y表示像素点的纵坐标，M表示图像的长度，单位为像素，N表示图像的宽度，单位为像素，f(x,y)表示坐标(x,y)处像素的灰度值。
[0034]优选地，所述(p+q)阶原点矩μ
pq
为：
[0035][0036]其中表示图像重心的横坐标，表示图像重心的纵坐标。
[0037]优选地，所述(p+q)阶归一化中心矩η
pq
为：
[0038][0039]其中，μ
00
表示(0+0)阶原点矩。
[0040]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0041]1、本专利技术实现了谐振陀螺有限元仿真中工作模态的自动识别，可以有效的提高有限元仿真效率，节省仿真时间。
[0042]2、本专利技术利用轮廓匹配算法实现对谐振陀螺有限元仿真模态的识别，可以减少在仿真过程中的人为干预，提高算法的连续性。
[0043]3、本专利技术降低计算复杂度，提升计算效率，提高谐振陀螺的结构优化设计速度。
[0044]4、本专利技术可将智能优化算法用于谐振陀螺结构的优化设计，实现传感器结构的全自动快速优化设计。
附图说明
[0045]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0046]图1为本专利技术谐振陀螺有限元仿真模态识别方法的流程图；
[0047]图2为模态图像轮廓提取流程图；
[0048]图3为圆环形谐振陀螺轮廓提取示例图；
[0049]其中3(a)为基于模态图像原始图的模态图像灰度图，3(b)为模态图像二值图，3(c)为模态图像颜色反转图，3(d)为模态图像空洞填充图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用有限元仿真计算或实验方法获取一张工作模态形状图像，作为模态识别的参考图像；步骤2：利用有限元仿真计算或实验方法获取基于谐振陀螺模型的多个模态图像；步骤3：提取每个模态图像的最外侧轮廓的图像边缘；步骤4：基于轮廓匹配算法，计算提取图像边缘后的每个模态图像的图像矩；步骤5：计算每个模态图像的图像矩与参考图像的图像矩的欧氏距离，选取欧氏距离最短的作为工作模态。2.根据权利要求1所述的谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，其特征在于，所述参考图像的图像矩为所述参考图像的不变矩。3.根据权利要求1所述的谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1：在有限元仿真软件中建立谐振陀螺的结构模型,建立谐振陀螺结构的几何参数及其变量；步骤2.2：在有限元仿真软件中根据谐振陀螺的结构模型建立谐振陀螺的有限元模型，计算谐振陀螺的特征频率，或者实验方法获取谐振陀螺的特征频率；步骤2.3：根据器件设计需求，选取若干组几何参数组合，仿真或者实验得到每组参数对应的若干特征频率下的模态图像。4.根据权利要求1所述的谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，其特征在于，所述有限元仿真软件采用COMSOL、ANSYS。5.根据权利要求3所述的谐振陀螺有限元仿真模态识别方法，其特征在于，所述谐振陀螺结构包括半球谐振陀螺、环形谐振陀螺、质量块陀螺仪；所述半球谐振陀螺的几何参数包括：球壳厚度、球壳半径、支撑柱长度、支撑柱半径；所述环形谐振陀螺的几何参数包括：环宽、辐条长度、环数、环厚、内半径大小、辐条宽度；所述质量块陀螺仪的几何参数包括：质量块大小、折叠梁长度、折叠梁宽度、谐振器厚度。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，谷留涛，卢浩琳，范重阳，吴雨婷，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：