MEMS慣性測(cè)量組合在系統(tǒng)中的一種測(cè)試方法

創(chuàng)新者：楊 靜 沈利華 蔡燕斌 石 磊

MEMS慣性測(cè)量組合在系統(tǒng)中的一種測(cè)試方法

創(chuàng)新者：楊 靜 沈利華 蔡燕斌 石 磊

目前，MEMS慣性測(cè)量組合在我國航天器上處于應(yīng)用起步階段，工程中需要解決的實(shí)際問題還很多。本文提出的測(cè)試方法，針對(duì)MEMS慣性器件精度較低的特點(diǎn)，采用對(duì)慣組輸出求模并進(jìn)行一段時(shí)間均值計(jì)算，根據(jù)慣組精度選取合適的判據(jù)，在系統(tǒng)工作中可對(duì)慣組的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

綜述

MEMS基本原理

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至結(jié)構(gòu)、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來，感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱等自然界信號(hào)并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可處理的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、計(jì)算等處理，通過微執(zhí)行器對(duì)外界發(fā)生作用。MEMS工作原理如圖1所示。

MEMS慣組應(yīng)用現(xiàn)狀

MEMS慣性器件是指采用MEMS技術(shù)研制的陀螺或加速度計(jì)，它采用具有壓電效應(yīng)的微型傳感器敏感到運(yùn)動(dòng)體的角速度與視加速度，通過信號(hào)處理和控制電路輸出不同的電壓。MEMS慣性器件一般以硅為主要材料，硅材料的強(qiáng)度與硬度與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鋁和鎢，使器件可以達(dá)到較好的機(jī)械電氣性能。同時(shí)，采用硅微加工工藝，在一定硅片上可以同時(shí)制造成百上千個(gè)完整器件，批量生產(chǎn)時(shí)可以大大降低成本。MEMS慣組則是采用MEMS陀螺與加表構(gòu)建的慣性測(cè)量組合（下文簡(jiǎn)稱慣組）。

目前，在我國的航天器上采用的慣組，其慣性器件多為撓性陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、撓性加速度計(jì)、石英加速度計(jì)等，采用MEMS慣性器件構(gòu)建的慣組剛處于應(yīng)用起步階段，工程中需要解決的實(shí)際問題還很多。例如：如何對(duì)MEMS慣組進(jìn)行更有針對(duì)性的測(cè)試，以驗(yàn)證其是否滿足使用要求；如何提高M(jìn)EMS慣組的精度；如何加強(qiáng)MEMS慣組對(duì)力學(xué)、電磁、大氣、核輻射等環(huán)境的適應(yīng)能力等，以滿足各種復(fù)雜工程條件的需求等。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)除慣性器件外其它MEMS器件的了解，把握MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，最后達(dá)到在航天器系統(tǒng)上大量使用MEMS器件，以最低的成本滿足系統(tǒng)要求，解決航天器系統(tǒng)小型化、輕質(zhì)化及低成本的問題。

圖1　MEMS工作原理圖

本文提出的是MEMS慣組在控制系統(tǒng)中的一種測(cè)試方法，針對(duì)MEMS慣組單表精度較低的特點(diǎn)，采用對(duì)慣組輸出的兩種物理量分別求模，并計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)均值的方式，對(duì)慣組的零偏穩(wěn)定性與零偏重復(fù)性同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，以達(dá)到在系統(tǒng)測(cè)試中對(duì)慣組指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證的目的。

測(cè)試方案

在一些相關(guān)的國軍標(biāo)中，對(duì)于單獨(dú)的陀螺儀與加速度計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試方法均已進(jìn)行過規(guī)定，如：零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)非線性度、標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性等。其中零偏穩(wěn)定性一般指一次通電以后的零次項(xiàng)漂移值，也稱零漂；而零偏重復(fù)性則是指在同樣條件下及規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，多次通電零偏相對(duì)其均值的離散程度，可分為逐次啟動(dòng)重復(fù)性、逐日啟動(dòng)重復(fù)性。由于MEMS慣組本身具有零偏較大（單軸陀螺零偏可達(dá)100°/h以上），標(biāo)度因數(shù)非線性較差（1000ppm）的特點(diǎn)，而且慣組在交付給系統(tǒng)使用之前已對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行過逐項(xiàng)測(cè)試，因此，本文所提出的測(cè)試方法，不對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，而是針對(duì)MEMS慣組的整機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試，是一種可以驗(yàn)證慣組整機(jī)零偏特性（同時(shí)包含零次項(xiàng)漂移與逐次啟動(dòng)重復(fù)性）的測(cè)試方法。

測(cè)試條件

MEMS慣組由于其敏感器件的特殊性，其處理電路一般位于慣組內(nèi)部最接近敏感器件的地方，多為A/D采集電路。故對(duì)外輸出一般采用串口或其它數(shù)據(jù)總線接口，不同于傳統(tǒng)慣組的多路脈沖輸出。為對(duì)慣組進(jìn)行測(cè)試，需要準(zhǔn)備可供慣組工作的電源、可接收慣組輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行工具誤差補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)、測(cè)試電纜。

測(cè)試方法

靜態(tài)輸出測(cè)試的測(cè)試方法為：將慣組靜止擺放，對(duì)三軸輸出角速度矢量與加速度矢量分別求模。對(duì)于精度較高的傳統(tǒng)慣組，其輸出測(cè)試值應(yīng)為地球自轉(zhuǎn)角速度（約15.041067°/h）以及當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭o。對(duì)于精度較差的MEMS慣組，由于自身的單軸零偏已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球自轉(zhuǎn)的角速度，可近似認(rèn)為輸出角速度的模反映了慣性器件的零偏。因此，選取合適的判據(jù)，則可以同時(shí)考核穩(wěn)定性與重復(fù)性兩項(xiàng)指標(biāo)。

將慣組靜置于固定基座上，當(dāng)其輸出穩(wěn)定后開始進(jìn)行測(cè)試。MEMS慣組一般采用線性模型，陀螺對(duì)于重力的敏感因素（g敏感系數(shù)）由于為極小量，一般不予考慮。

對(duì)陀螺的輸出按照標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行工具誤差補(bǔ)償，如下：

根據(jù)慣性器件的實(shí)際指標(biāo)設(shè)置合格判據(jù)：

在國外，MEMS加速度計(jì)的精度指標(biāo)已基本能滿足戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的應(yīng)用要求，MEMS陀螺性能也已接近或達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)導(dǎo)航的水平，目前最高性能已達(dá)到1°/h，根據(jù)預(yù)測(cè)，MEMS陀螺性能極限約在0.01°/h。從需求來看，10°/h到0.01°/h的陀螺將可以滿足將來一些低成本航天器的使用要求。

在國內(nèi)，完全由擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)的陀螺零偏穩(wěn)定性最好可達(dá)到50°/h，個(gè)別較好的器件已可以達(dá)到10°/h以內(nèi)，但與國外相比還有一定的差距，其批量生產(chǎn)時(shí)性能的穩(wěn)定性、器件的完好率都有待于提高。目前國內(nèi)的研究在單個(gè)元件的設(shè)計(jì)、研制上，多傳感器集成方面還有大量的工作要做。

例如，對(duì)于一臺(tái)MEMS慣組，若其陀螺零偏重復(fù)性為100°/h（1σ），穩(wěn)定性為50°/h（1σ）；加表零偏重復(fù)性為1mg（1σ），穩(wěn)定性為1mg（1σ）。則合格判據(jù)可設(shè)置為：

0.996536go≤A≤1.003464go，go為測(cè)試當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

其中，?θx1,?θy1,?θz1為從慣組串口輸出的三個(gè)方向原始數(shù)字量，D0x,D0y,D0z為陀螺零次項(xiàng)系數(shù)，Dxx,Dyy,Dzz為陀螺刻度因子，Dxy,Dxz,Dyx,Dyz,Dzx,Dzy為安裝誤差。

對(duì)加表的輸出按照標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行工具誤差補(bǔ)償，如下：

其中，?Wx1,?Wy1,?Wz1為從慣組串口輸出的三個(gè)方向原始數(shù)字量，K0x,K0y,K0z為加表零次項(xiàng)系數(shù)，Kxx,Kyy,Kzz為加表刻度因子，Kxy,Kxz,Kyx,Kyz,Kzx,Kzy為安裝誤差。

設(shè)慣組的更新時(shí)間為τ，則慣組的每拍輸出即為上一段τ時(shí)間內(nèi)的角增量δθx，δθy，δθz與視速度增量δwx，δwy，δwz。

將每個(gè)τ時(shí)刻的角增量與視速度增量進(jìn)行累加，若n·τ=1s，則每累加n次得到慣組在當(dāng)前這1s內(nèi)的平均角速度ωx，ωy，ωz，平均視加速度Ax，Ay，Az。

按下列兩式進(jìn)行求模計(jì)算，得到慣組輸出的角速度ω（單位°/h）與加速度A （單位m/s2）：

設(shè)置測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為60s，將60s的角速度之模與加速度之模分別進(jìn)行累加并求得平均值：

結(jié)語

航天器控制系統(tǒng)正在朝著更小更輕更低成本的方向發(fā)展，而MEMS慣性器件以其制造加工工藝的不同而明顯區(qū)別于其它慣性器件，具備小型輕質(zhì)低成本的特點(diǎn)。隨著我國MEMS器件的發(fā)展，未來必定會(huì)在航天器大量使用各種MEMS器件。本文所提出的MEMS慣性測(cè)量組合測(cè)試方法，是針對(duì)MEMS慣性器件精度較低的特點(diǎn)制定的一種簡(jiǎn)單有效的方法，在根據(jù)慣組指標(biāo)選取合理的測(cè)試判據(jù)后，可以方便應(yīng)用于控制系統(tǒng)對(duì)于MEMS慣組的測(cè)試驗(yàn)證。

楊 靜1沈利華2蔡燕斌2石 磊

1.北京航天自動(dòng)控制研究所；2.宇航智能控制技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

楊靜（1981-）女，碩士，高級(jí)工程師，控制系統(tǒng)電氣綜合設(shè)計(jì)專業(yè)，主要從事控制系統(tǒng)彈地綜合技術(shù)的研究；沈利華（1977-）男，碩研，高級(jí)工程師；蔡燕斌（1985-）男，碩研，工程師；石磊（1978-）男，碩士，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.019