飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設計與開發(fā)

飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設計與開發(fā),卡爾,智能,大獎賽,電磁,軟件,控制系統(tǒng),設計,開發(fā) 譯文及原文相對論引力探測器（GP-B）的陀螺儀和充電控制Saps Buchman, C.W.F. Ever&, Brad Parkinson, J.P. Tumeaure, R. Brumley, D. Gill, G.M. Keiser, and Y. XiaoW. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA摘要：相對論引力探測器B(GP-B)最重要的功能任務是使以后牛頓派參數(shù)γ的參數(shù)測量達到10^5級別。這個目標的實現(xiàn)需要一個精確度=0.044弧秒每年的整體實驗來論證支撐。在近地面，通過分析十萬小時的陀螺儀操作實驗結(jié)果，得到了結(jié)論：對于處在加速度為10^-9米/每平方秒的受支撐陀螺儀來說，將會有=0.17毫米角秒/年的剩余的牛頓漂移，以及在一個完全慣性軌道上，不受支撐的陀螺儀將會有=0.020弧秒/年的漂移。由于預期誤差是因為陀螺儀的漂移，此時與測量目標相一致。同時，宇宙輻射主要干擾陀螺儀充電轉(zhuǎn)子來影響陀螺儀，一個力調(diào)制技術可以提供對陀螺轉(zhuǎn)子約5 PC的電荷測量，而雙極性電荷使用UV光電效應達到10 PC的電荷控制。 GP-B陀螺儀：測量γ參數(shù)的10^5級別，將通過兩個數(shù)量級順序和允許嚴格的“達摩-諾特維特引力機制”阻尼版本的測試（達摩 和 諾特維特，1993）來擴展在近地面相關的可能性研究。我們討論用于性能要求和技術使用，來建立針對與GP-B的陀螺儀，使陀螺儀與其性能兼容。四高精度，低溫，靜電懸浮陀螺儀用于GP-B中，去確定在地球附近參照系的慣性。三是與靜電懸浮活性的操作，而第四個將作為衛(wèi)星無拖曳質(zhì)量問題的證明。即殘余扭矩通過對于衛(wèi)星阻力的補償和通過仔細控制的陀螺儀的球形和其外殼而被縮小化。該陀螺轉(zhuǎn)子和殼體由熔融石英似的框架構(gòu)成。對于轉(zhuǎn)子的熔融石英的密度均勻性是通過干涉測量技術測量的，這項技術是應用一個立方體材料的浸入折射率來匹配流體（DeFreitas，1994提出） 。由賀利氏.俄曼斯爾生產(chǎn)的“Homosil”級熔融石英密度均勻而且有一些超過陀螺儀半徑10 ^ 6級別的石英：這些石英比所要求的石英多出了一個數(shù)量級。陀螺儀轉(zhuǎn)子在一個四面體結(jié)構(gòu)圈打磨，使用有精密機械主軸的LVDT傳感器測量。一次測量中，擁有超過17個大圓圈，每個轉(zhuǎn)子的計量保證了良好的球形表面的映射。從完全包容轉(zhuǎn)子的球體表面來看，相比于1.9厘米的陀螺儀半徑，峰 - 谷之間的偏差為約10^-6，或者約20納米。一層1.25μM薄的鈮膜，在兩個有32相類似的補丁層中，薄膜擴散似的包裹在軸上，此舉改善波峰到波谷的均勻性，并且效果超過原來的2%，或者大約20nm(吉爾 1988)。其中超導膜為轉(zhuǎn)子提供了一個導電表面和產(chǎn)生讀出系統(tǒng)所需要的倫敦磁矩。這正是由于陀螺儀轉(zhuǎn)子球面和轉(zhuǎn)子可以減少靜電懸浮所造成的扭矩。陀螺儀外殼的球形空腔是用“翻滾研磨”技術，研磨借助兩個以球形帽形狀緊緊圍一圈的殼體半球，從而使整個組件幾乎是隨機震蕩下跌的。兩個球體一圈的重量，翻滾速度，和拋光化合物的精確組合，確保了在隨機震蕩、翻轉(zhuǎn)、研磨操作過程中，能使設備保持在40度以內(nèi)的變化，這角度以空腔的底部為基準。由此，得到峰-谷空腔，此峰-谷空腔只有1.9厘米半徑的球形度，因此產(chǎn)品球形度可以說等于或小于150納米。再者，鈦-銅化合物多層涂料薄膜濺射到電極區(qū)域，從而提供了必要的電和熱傳導率（Zhou等人，1995） 。圖1示出了分解陀螺儀的示意圖。三對相互垂直的電極被用來檢測相對于殼體的轉(zhuǎn)子位置，提供必備的靜電懸浮電壓，并運用所需的力調(diào)制去測量轉(zhuǎn)子電位。其中，居中的轉(zhuǎn)子和電極之間的間隙為約32分，濺射薄膜在電極周圍提供卸載空間，并提高了電極位置，相比于原來位置至少高了12分，以此來防止非懸浮轉(zhuǎn)子與電極的接觸。為了避免啟動負載時的陀螺轉(zhuǎn)子與另一組隔離罩隔離，高度等高于電極周圍提供的卸載空間，從而使用由波紋管活化的活塞加壓液體氦來達到這一要求。在外殼的附近靜電荷積累被涂覆在外殼所有表面的薄膜所消耗阻斷，這相當于有了一個導電薄膜，而這個薄膜與靜電懸架系統(tǒng)共同接地。超導陀螺儀的旋轉(zhuǎn)頻率超過100Hz，使用6K的氦氣，讓氣體在標準大氣壓下通過陀螺儀外殼自旋向上的中心孔。大約會有95%的氣體會沿著通道游走，這些氣體通過孔附近的分型面泵抽去并耗盡。剩余氣體回流到上方的鋼片薄膜，這片薄膜凸懸在電極的十二點鐘方向，接著氣體順著獨立泵的特殊開口從陀螺儀外殼散去。其中，旋轉(zhuǎn)頻率f（t）接近吻合函數(shù),各個參數(shù)f(a)=100Hz τ=200s。??(??)=??(??).{1?e?t??} ,旋轉(zhuǎn)的球體產(chǎn)生的倫敦磁的偶極矩ML，旋轉(zhuǎn)軸的瞬間角速度Ws其中m和e為電子的質(zhì)量和電荷，以及c為光速度：M??=?????????3????=?5.69?10?5??3????(??.????3)當瞬間旋轉(zhuǎn)軸繞著它旋轉(zhuǎn)時，角動量的守恒量就代表了局部參考系的方向。對于一個自由陀螺儀力，這力會有稍微不同于慣量的主要力矩 ,這也?????伴隨著主要扭矩 與旋轉(zhuǎn)角速度 分別決定斜角的角度與頻率。陀螺儀????? ??s主慣量變化都會轉(zhuǎn)換成 1弧度的斜角，同時還會產(chǎn)生平均小于5s?????≤5x10?6的水平1弧度晃動。因此，倫敦磁偶極子可以表示角動量的方向，球體的極跡。一個超導四轉(zhuǎn)子反應了循環(huán)涂抹在石英外殼的分離面耦合了多樣的倫敦磁矩，并由直流SQUID磁力計反應。四個陀螺儀牢牢地安裝在附著望遠鏡的石英塊，與系統(tǒng)操作處于2.3 K的水平。操作望遠鏡所指向的參考星與均方根有效值精度高于20K水平下的弧秒。在衛(wèi)星陀螺儀中，作為一種減小不對稱扭矩的方法，它所引起的衛(wèi)星視線晃動要維持在0.3到1轉(zhuǎn)每分鐘的速率。對衛(wèi)星的其他敏感器和速度陀螺儀可以維持旋轉(zhuǎn)速度為恒定值10^5，旋轉(zhuǎn)軸線對齊于滾動軸，對齊度優(yōu)于1弧秒。監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的是一個35kHz的電容橋，這個電容橋的每一電極上施加一個峰對峰的40mv激勵電壓，把解調(diào)的位置信號檢測在220Hz之內(nèi)，并用于控制三個自由拖動傳感器的衛(wèi)星推進器或用于其他三個陀螺儀的靜電懸掛系統(tǒng)。對于陀螺儀分子拖動會產(chǎn)生主要的扭矩干擾，這個扭矩可以通過一個5x10^-6級別的因素子消減，這個因子通過飛船自旋軸的均分，可以導致陀螺儀的需求壓強處于10^-9Pa以下。為了減少這種壓強，隨即引入氦氣用于旋轉(zhuǎn)，即利用低溫烘干技術。這技術使其表面溫度提升到大約7.5k，也因此提高氦氣的解吸，同時解吸的氣體會從飛行器中抽出。緊接著是降溫到2.5k，保留著的氣體被表面的一個替代式單層所吸附。在T1時增強壓強值P1，隨著T1溫度的改變至T2，將會使壓強改變至P2，這個關系可以由以下公式給出；是與金屬粘合物粘合時的能量 / =150K。在GP-B在原型測試系統(tǒng)操 ???? ????k??作條件下，殘留氣體分析儀的測量能力會被限制，這個條件為PI=10^-5Pa，并且原來的低溫烘烤過程已經(jīng)證明：陀螺儀在溫度為2.5K的條件下，壓強為10^-13~10^-15Pa. 表1總結(jié)了在100Hz的自旋頻率下計算出的最大陀螺儀干擾扭矩和在約1x10^9帕的陀螺儀的殘余的氦氣的壓力。理想的陀螺儀干擾扭矩差值少于0.17角秒每年，對支撐陀螺儀而言；對非支撐陀螺儀，理想的陀螺儀干擾扭矩差值卻是不少于0.020角秒每年。然GP-B設計為最小角度的漂移進行了優(yōu)化，凱澤等。 （1998）計算出的陀螺儀作為差分加速度計的預期性能。他們找到，在2x10^-3與2x10^-2Hz范圍所期望的精確值，對于電力陀螺儀來說，大約是在2x10^-10m/(sec*dHz)；對于非支撐的陀螺儀來說就像自由檢測質(zhì)量，處于2x10^-12m/(sec*dHz)左右。在使用GP-B的650公里極地軌道主要作用是輻射環(huán)境的改善，這是由于帶電粒子被困在地球磁場中（維特，1991） ，或者這些帶電粒子由太陽耀斑產(chǎn)生。圖2展示了在GPB軌道中，日常單位軌道質(zhì)子與電子的積累量。質(zhì)子捕獲是影響陀螺儀充電的主要原因，同時對充電網(wǎng)的充電卻是有益影響。由航天器提供屏蔽層阻止了最初級電子，而高級電子的發(fā)射，對于GP-B環(huán)境下，具有小于結(jié)合的產(chǎn)量。在實驗中，初始化階段兩個附加機制可造成陀螺儀充電；陀螺儀外殼懸浮起時導致的不同種金屬的分離；陀螺儀的旋轉(zhuǎn)加速過程中電離氦而導致的充電積累。由于極性充電陀螺懸浮起和自旋向上難以預測，因此有必要對所述充電控制技術具有雙極能力。為了在太陽耀斑時，減少熱量和充電，加入一個g.cm^-2的輻射屏蔽，將會產(chǎn)生一個相當于20鋁陀螺儀總屏蔽。標準空間技術用于減輕電子宇宙輻射的影響。然而，陀螺儀轉(zhuǎn)子是在超高真空中孤立的機械系統(tǒng)，因此很有必要用非接觸方法充電，依靠熱輻射冷卻。陀螺儀需求主要是考慮扭矩和加速度，限制轉(zhuǎn)子充電至10pc，或者等價于一個10mv的電壓（在擁有1nF的電容條件下） 。超過一年半的充電總積累任務是600pc，擁有它就能保證監(jiān)控陀螺儀的電位和積極使用充電控制。轉(zhuǎn)子的充電測量是用調(diào)制力的方法，在此方法中激勵電流采用180°交相電流去代替兩個對立的電極(Buchman et al., 1995).兩種不同技術陀螺儀都有使用。對于電子陀螺儀積累頻率選擇005Hz，大約有百分之一的懸浮系統(tǒng)反饋頻寬，這確保了沒有不精確的陀螺儀運動發(fā)生。此種情況下的陀螺儀充電與按照懸浮反饋組的控制調(diào)制是成正比關系的。相比之下，拖拽力累積式傳感器的充電測量大約采用4Hz,對于航天器的姿態(tài)和平移控制推進器的頻率大約是反饋組的十倍。拖拽式自由傳感器的充電正比于感測正極電極的運動。調(diào)制力方法的第二種變體優(yōu)點是飛行器不會有不精確的運動的發(fā)生，作為結(jié)果，三個靜電懸浮陀螺儀的位置不會被拖拽式自由傳感器所調(diào)制。力調(diào)制技術對陀螺儀的偏軌是不敏感的，是獨立于環(huán)境的加速度，并實現(xiàn)在100秒積分時間內(nèi)優(yōu)于5毫伏的電壓精度，使其適合用于GP-B完成任務使命。GP-B使用兩種充電測量激勵；a)，一組10mv級的持續(xù)電壓監(jiān)控實現(xiàn)在100s內(nèi)電壓精確達到5mv，b）在使用UV系統(tǒng)的主動控制中，一組100 mV級的測量，它實現(xiàn)了在約1秒的5毫伏的精度，從而使控制組更簡單的實現(xiàn)其功能。UV光電效應是一種在GP-B使用的方法，以產(chǎn)生用于充電控制的電子。轉(zhuǎn)子和偏壓電極用UV光電子光與通過光電效應產(chǎn)生的電子照明，通過這些表面添加或從轉(zhuǎn)子移除使用專用的偏壓電極。充電電荷的方向，通過陀螺儀表面電極從-3至3v的偏轉(zhuǎn)控制。陀螺儀面是鈮的濺射薄膜，而電荷控制電極表面是電鍍黃金。實驗注意事項構(gòu)成對陀螺儀附近的硬件附加限制：低剩磁，高標準的潔凈，低于超導轉(zhuǎn)變溫度1.5 K和兼容性與 2 k的GP-B的實驗溫度。圖像三是安裝固定在陀螺儀外殼的概要描述，外殼功能是引導UV光集中于外殼表面與陀螺儀上，同時也能填補充電控制電極偏向后的作用。UV的光子來源是一個無線不可充電的汞燈。254nm波長的汞光大約有10的能量，這些能量與各有十二片300μm的UV光纖燈相互耦合。冗余的GP-B????將放有兩個燈，從每個燈兩根光纖能夠照亮每個陀螺儀的兩個UV燈具。每八根光纖捆綁的四個陀螺儀，具有UV技術兼容GP-B發(fā)展的功能，因此可以選擇兩個燈中的一個供應照明。光電效應強烈地依靠表面能準確的傳送與反射系統(tǒng)的要素，和20到200之間fA/ μW的陀螺儀能量變化和處于50到500fA/ μW 的UV固定能量變化。充電控制系統(tǒng)的地面測試是在陀螺儀不懸浮的情況下執(zhí)行的，并且光電電流直接通過與地面飛船外殼的關聯(lián)來測量，這外殼需要在陀螺儀上測試。超過10萬小時的陀螺儀的測試表明，通過強制調(diào)制和紫外線光發(fā)射產(chǎn)生的電子，陀螺漂移符合GP-B的要求，以及充電管理，此管理正是在GP-B的陀螺儀充電問題的解決方案。版權聲明:這項工作是由美國航空航天局支持，合同編號：NAS8-39225。參考文獻1) Buchman, S., T. Quinn, G.M. Keiser, D. Gill and T.J.SumnerRev. Sci. Instrum. 66, 120 (1995)2) Damour, T., K. Nordtvedt, Phys. Rev. Lett. 70,2217 (1993).3) DeFreitas, J.M., Intetjkrometric characterization of Refractive Index Variations in Vitreous Silica. PhD thesis,University of Aberdeen, Aberdeen, UK, (1994).4) Feynman, J., Journal of Geophysical Research 98,13281 (1993)5) Gill, D., P, Peters, C. Sisk, Proceedings of the 15th International Conference on Metallurgical Coatings,Elsevier Sequoia, (1988).6) Keiser, G.M., S. Buchman, W. Bencze, and D. DeBra, Second International LISA Symposium on the Detection7) and Observation of Gravitational Waves in Space, AIP Conference Proceedings 456,188 (1998)8) Tumeaure, J.P., E.A. Cornell, P.D. Levine, J.A. Lipa, Near Zero, W.H.Freeman and Co. New York, 671 (1988)9) Vette, J.I., The NASALWational Space Science Data Center Trapped Radiation Environment Model Program(1964-1991). 10)NSSDC/WDC-A-R&S 91-29, (1991)11)Zhou, P., S. Buchman, K. Davis, C. Gray, and J.P. Tumeaure, Surface and Coatings Technology 76-77,516 (1995)