基于微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的MEMS陀螺的應(yīng)用研究

朱曉淼

摘 要：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠不依靠外界信息的基礎(chǔ)上展開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間的自主導(dǎo)航，目前該類技術(shù)也逐漸成熟，其精度較高。本文主要探討研究了基于微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的MEMS陀螺誤差補(bǔ)償方法，以期更好地滿足社會(huì)發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：微慣性;導(dǎo)航系統(tǒng);MEMS陀螺誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)： TP212.9 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2017）01-153-2

1 ?基于MEMS的微慣導(dǎo)系統(tǒng)

目前，微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車工程、航空航天、通信工程等方面展開(kāi)了廣泛的利用，和傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)相比而言，基于MEMS技術(shù)的慣導(dǎo)系統(tǒng)有著較多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也在不斷地發(fā)展[1]。如今慣性技術(shù)顯然成為了微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展新方向，一般涉及了數(shù)據(jù)處理單元、微慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)三方面。其中溫度傳感器、三個(gè)正交放置的MEMS陀螺儀以及MEMS加速度計(jì)構(gòu)成了微慣性測(cè)量單元，此時(shí)的加速度計(jì)、陀螺儀二者的空間坐標(biāo)系需要相同，在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上把MIMU單元中加速度計(jì)、陀螺儀的輸出輸送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)，完成導(dǎo)航解算，對(duì)速度、位置、姿態(tài)等相關(guān)信息進(jìn)行輸出。

2 ?MEMS陀螺儀概述

微機(jī)械系統(tǒng)作為一種在微加工技術(shù)、集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上，把微傳感器、微結(jié)構(gòu)、控制電路這三者有機(jī)地集成于一個(gè)較小的芯片中?，F(xiàn)如今，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，尤其近幾年來(lái)我國(guó)的微電子技術(shù)、微型制造技術(shù)得到了大力的改進(jìn)、發(fā)展，在一定程度上推動(dòng)了MEMS系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展。微機(jī)械系統(tǒng)正是由于其自身獨(dú)特的加工技術(shù)、制造工藝，給MEMS系統(tǒng)帶來(lái)諸多的優(yōu)點(diǎn)，主要包括了集成化、質(zhì)量輕、微型化、成本低等。MEMS陀螺儀嚴(yán)格按照MEMS技術(shù)進(jìn)行制造，最大的優(yōu)勢(shì)就是其獨(dú)特的工作原理。傳統(tǒng)的光學(xué)陀螺，一般包括了光纖、激光陀螺儀等，主要是在光的Sagnac效應(yīng)的前提下來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變化展開(kāi)計(jì)算的[2]。傳統(tǒng)的力學(xué)陀螺，主要包括了液浮式、靜電式陀螺儀等，應(yīng)用的是力學(xué)特性來(lái)對(duì)角度變化情況進(jìn)行測(cè)量，其工作原理主要是依據(jù)物理學(xué)中的角動(dòng)量守恒定理來(lái)進(jìn)行的。而MEMS陀螺儀是以MEMS技術(shù)為前提的，即主要是在科里奧利效應(yīng)、經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，傳統(tǒng)的陀螺儀是難以和現(xiàn)代MEMS陀螺儀相比擬的，因此MEMS陀螺儀得到了廣泛的使用。正是因?yàn)镸EMS陀螺儀的工作原理是基于哥氏效應(yīng)展開(kāi)的，其產(chǎn)生的大小一般是和輸入角速度、振動(dòng)速度兩者的乘積成正比的哥氏力，在對(duì)哥氏力的方向、大小進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)上，能夠最大程度上得到輸入角速度的信息，其質(zhì)量塊因?yàn)槭艿搅Φ挠绊懀ǔ＿M(jìn)行的是繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，為框架式MEMS陀螺儀示意圖，圍繞著框架式MEMS陀螺儀示意圖簡(jiǎn)單介紹框架式MEMS陀螺的原理、結(jié)構(gòu)?？蚣苁組EMS陀螺儀主要是通過(guò)外、內(nèi)兩個(gè)正交框架組合而成，其中還包括了檢測(cè)、基座的質(zhì)量塊。該兩個(gè)框架為檢測(cè)框架、驅(qū)動(dòng)框架，在外框架兩邊設(shè)立了激振電極，內(nèi)框架兩側(cè)設(shè)置讀取電極，固定該四個(gè)電極相對(duì)陀螺儀殼體位置，其中內(nèi)框架組、檢測(cè)質(zhì)量塊有機(jī)結(jié)合而成一個(gè)整體，外框架和基座、內(nèi)框架在撓性桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行連接。一旦加上相位相反的交變電壓于兩個(gè)激勵(lì)電極上，此時(shí)的外框架會(huì)由于產(chǎn)生交變靜電力進(jìn)而出現(xiàn)力矩作用，從而導(dǎo)致繞驅(qū)動(dòng)軸做角振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況，另一方面，質(zhì)量塊上的各點(diǎn)也是進(jìn)行線振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。若是基座繞輸入軸在慣性空間憑借角速度是ω來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上會(huì)出現(xiàn)哥式加速度，發(fā)生哥氏慣性力，而該慣性力會(huì)出現(xiàn)繞輸出軸的哥氏力矩，同時(shí)在這個(gè)力矩的影響下，造成內(nèi)框架繞輸出軸行角振動(dòng)，輸入角速度的大小其實(shí)就是振幅正比，相位是通過(guò)輸入角速度的方向決定的，致使內(nèi)框架之間距離、兩個(gè)讀取電極依據(jù)一定的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行改變，進(jìn)而產(chǎn)生電容變化。同時(shí)電容的變化值的基礎(chǔ)上，就能對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。

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圖1 ?框架式MEMS陀螺儀示意圖

3 ?基于MEMS的微慣導(dǎo)系統(tǒng)工作原理

微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理是在陀螺儀、加速度計(jì)輸出信息的基礎(chǔ)上，獲得運(yùn)載體的速度、位置、姿態(tài)等相關(guān)的導(dǎo)航信息。加速度計(jì)輸出的是b系也就是載體坐標(biāo)系下的比力fb，通過(guò)t系即轉(zhuǎn)換變?yōu)榈乩碜鴺?biāo)系下的比力ft，把比力ft通過(guò)一次積分獲得t系下載體的速度，由二次積分計(jì)算出載體的位置。陀螺儀輸出的是b系也就是載體坐標(biāo)系下的角速度wbib信息，對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn)行更新，在姿態(tài)矩陣計(jì)算的基礎(chǔ)上，得到運(yùn)載體的方向、航向等信息。加速度計(jì)、陀螺儀精度的大小影響著微慣導(dǎo)系統(tǒng)定位的精度，一般慣性器件產(chǎn)生的誤差和其精度成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

4 ?MEMS陀螺儀的隨機(jī)誤差補(bǔ)償方法

無(wú)線性規(guī)律、慢時(shí)變是MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移誤差最為主要的特點(diǎn)，不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型就能進(jìn)行描述的。通常在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，一旦MEMS陀螺儀精度不高，就會(huì)造成輸出的信號(hào)存在大量的隨機(jī)漂移誤差，嚴(yán)重制約著導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，所以，科學(xué)合理的辨識(shí)、補(bǔ)償MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移誤差是一件具有關(guān)鍵的研究意義?，F(xiàn)如今，通常應(yīng)用以下三類手段對(duì)MEMS陀螺儀的精度進(jìn)行改善：

首先就是應(yīng)用溫控裝置，科學(xué)補(bǔ)償由于溫度變化而造成的MEMS陀螺儀誤差，緩解因?yàn)闇囟葘?duì)MEMS陀螺儀精度帶來(lái)的不良后果;

其次就是由陀螺儀的自身結(jié)構(gòu)著手，大力應(yīng)用先進(jìn)的生產(chǎn)材料、工藝技術(shù)，緩和由于陀螺儀結(jié)構(gòu)對(duì)精度造成的影響， 然而該類方法需要的時(shí)間較長(zhǎng)，所需要的經(jīng)費(fèi)很高，難以有效達(dá)到改善制作工藝的目的。

最后就是應(yīng)用軟件的手段構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)模型，補(bǔ)償MEMS陀螺儀誤差， 強(qiáng)化MEMS陀螺儀的精度，這種方法最大的優(yōu)勢(shì)就是時(shí)間短、效果好、成本低。一般情況下，主要涉及了三種模型結(jié)構(gòu)，即AR、ARMA、MA。在該種方法的基礎(chǔ)上能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得MEMS陀螺儀相關(guān)的隨機(jī)誤差模型，但是該種方式最大的不足就是需要將陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化、平穩(wěn)化、零均值處理，進(jìn)而影響陀螺儀建模的實(shí)際精度，該類方法所需要的建模精度較高，注定該方法只能應(yīng)用于較為平穩(wěn)的隨機(jī)序列建模中[3]。目前應(yīng)用較為廣泛的是功率譜密度分析法，簡(jiǎn)稱為PSD，實(shí)際上就是一種頻域分析的手段，通常情況下，不同的隨機(jī)誤差需要不同的功率譜密度來(lái)對(duì)各誤差項(xiàng)進(jìn)行辨識(shí)。其中隨著傅里葉的變換小波變換是也抓緊發(fā)展起來(lái)，作為一種信號(hào)分析、處理的手段，能夠在一定的頻域、時(shí)域中同時(shí)詳細(xì)表征信號(hào)。在對(duì)陀螺儀的隨機(jī)誤差信號(hào)具體的處理過(guò)程中，小波去噪的方法可以有效地削弱隨機(jī)誤差給陀螺儀精度帶來(lái)的不良影響。

5 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，怎樣在MEMS陀螺儀的隨機(jī)誤差的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)合理科學(xué)的模型以及進(jìn)行補(bǔ)償，儼然成為了增強(qiáng)MEMS陀螺儀精度的一個(gè)關(guān)鍵措施之一，也成為了精度定位、優(yōu)化微慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航的一個(gè)新方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孟璇璇.基于MEMS的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差分析與補(bǔ)償研究[D].上海交通大學(xué)，2005.

[2] 李榮冰，杭義軍，孫永榮，等.高性能微型慣性姿態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成與試驗(yàn)研究[C].慣性技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)發(fā)展方向研討會(huì)，2011.

[3] 杜瑾，李杰，馮凱強(qiáng)，等.多項(xiàng)式擬合在MEMS陀螺儀零點(diǎn)隨機(jī)漂移抑制中的應(yīng)用研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（5）：111-114.