[发明专利]基于联合仿真的谐振陀螺优化方法和系统

说明书

本发明提供了一种基于联合仿真的谐振陀螺优化方法和系统，包括：步骤1：利用MATLAB编写用于谐振陀螺特征模态识别的图像识别算法和用于谐振陀螺结构参数优化的优化算法；步骤2：利用COMSOL建立谐振陀螺参数化计算模型，输出有限元计算结果；步骤3：利用MATLAB和COMSOL的数据接口，建立相互传递数据的渠道，实现MATLAB对COMSOL有限元模型的调用，并通过图像识别算法和优化算法实现对谐振陀螺结构参数优化。本发明实现了谐振陀螺有限元仿真中特征模态形状的自动识别，实现了谐振陀螺结构多参数的同步快速优化，可有效提高谐振陀螺设计的准确性，提升谐振陀螺的设计效率。

技术领域

本发明涉及仿真模型参量优化技术领域，具体地，涉及一种基于联合仿真的谐振陀螺优化方法和系统。尤其地，涉及一种基于MATLAB和COMSOL联合仿真的谐振陀螺优化方法。

背景技术

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。

目前为止，针对谐振陀螺的设计方法主要以优化谐振陀螺结构和选用高性能材料为主。但优化设计过程多采用有限元软件ANSYS、COMSOL等参数化扫描方式来获得局部最优解，或使用MATLAB模拟有限元计算过程以获得谐振陀螺的最佳几何参数。ANSYS、COMSOL、ABUQUS等软件在谐振陀螺有限元仿真和多物理场耦合仿真等方面有着得天独厚的优势，具有计算能力强、计算速度快、结果准确等优势，但存在优化能力弱、变量单一、模态形状无法自动识别需人工干预等缺点。MATLAB有着强大的数据分析、数值计算能力，可以实现较为复杂的图像识别算法和优化算法，但是在有限元计算方面效果较差。因此基于MATLAB和COMSOL平台，发展一种COMSOL谐振陀螺结构参量优化算法，对解决谐振陀螺传感器结构设计中的多参量优化问题和模态调节问题具有重要意义。

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。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于联合仿真的谐振陀螺优化方法和系统。

根据本发明提供的基于联合仿真的谐振陀螺优化方法，包括：

步骤1：利用MATLAB编写用于谐振陀螺特征模态识别的图像识别算法和用于谐振陀螺结构参数优化的优化算法；

步骤2：利用COMSOL建立谐振陀螺参数化计算模型，输出有限元计算结果；

步骤3：利用MATLAB和COMSOL的数据接口，建立相互传递数据的渠道，实现MATLAB对COMSOL有限元模型的调用，并通过图像识别算法和优化算法实现对谐振陀螺结构参数优化；

所述图像识别算法通过提取图像特征包括颜色特征、纹理特征、形状特征以及局部特征点对图像进行分析和识别，从而获得图像中的模态信息；

所述优化算法包括粒子群算法、遗传算法和布谷鸟算法，在给定约束的微陀螺结构参数的情况下，使得陀螺的性能指标达到最优。

优选的，所述步骤1包括：

步骤1.1：在MATLAB中建立图像识别算法，从预设训练集和测试集中提取特征，利用分类器训练得到分类模板，并通过该分类模板进行谐振陀螺仿真特征模态的识别；