朱曉淼

摘 要：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是能夠不依靠外界信息的基礎(chǔ)上展開長時間的自主導(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陀螺誤差補償方法，以期更好地滿足社會發(fā)展的需要。

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

中圖分類號： TP212.9 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，同時也在不斷地發(fā)展[1]。如今慣性技術(shù)顯然成為了微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一個發(fā)展新方向，一般涉及了數(shù)據(jù)處理單元、微慣性測量單元、導(dǎo)航計算機三方面。其中溫度傳感器、三個正交放置的MEMS陀螺儀以及MEMS加速度計構(gòu)成了微慣性測量單元，此時的加速度計、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、陀螺儀的輸出輸送至導(dǎo)航計算機內(nèi)，完成導(dǎo)航解算，對速度、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地集成于一個較小的芯片中?，F(xiàn)如今，我國的科學(xué)技術(shù)水平正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，尤其近幾年來我國的微電子技術(shù)、微型制造技術(shù)得到了大力的改進(jìn)、發(fā)展，在一定程度上推動了MEMS系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展。微機械系統(tǒng)正是由于其自身獨特的加工技術(shù)、制造工藝，給MEMS系統(tǒng)帶來諸多的優(yōu)點，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)勢就是其獨特的工作原理。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)的前提下來對轉(zhuǎn)動角速度變化展開計算的[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)特性來對角度變化情況進(jìn)行測量，其工作原理主要是依據(jù)物理學(xué)中的角動量守恒定理來進(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。正是因為MEMS陀螺儀的工作原理是基于哥氏效應(yīng)展開的，其產(chǎn)生的大小一般是和輸入角速度、振動速度兩者的乘積成正比的哥氏力，在對哥氏力的方向、大小進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上，能夠最大程度上得到輸入角速度的信息，其質(zhì)量塊因為受到力的影響，通常進(jìn)行的是繞中心軸轉(zhuǎn)動運動以及振動運動。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陀螺儀主要是通過外、內(nèi)兩個正交框架組合而成，其中還包括了檢測、基座的質(zhì)量塊。該兩個框架為檢測框架、驅(qū)動框架，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，固定該四個電極相對陀螺儀殼體位置，其中內(nèi)框架組、檢測質(zhì)量塊有機結(jié)合而成一個整體，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激勵電極上，此時的外框架會由于產(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)動軸做角振動運動的情況，另一方面，質(zhì)量塊上的各點也是進(jìn)行線振動運動。若是基座繞輸入軸在慣性空間憑借角速度是ω來進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，在各個質(zhì)點上會出現(xiàn)哥式加速度，發(fā)生哥氏慣性力，而該慣性力會出現(xiàn)繞輸出軸的哥氏力矩，同時在這個力矩的影響下，造成內(nèi)框架繞輸出軸行角振動，輸入角速度的大小其實就是振幅正比，相位是通過輸入角速度的方向決定的，致使內(nèi)框架之間距離、兩個讀取電極依據(jù)一定的振動規(guī)律進(jìn)行改變，進(jìn)而產(chǎn)生電容變化。同時電容的變化值的基礎(chǔ)上，就能對輸出的電壓信號進(jìn)行計算。

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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、加速度計輸出信息的基礎(chǔ)上，獲得運載體的速度、位置、姿態(tài)等相關(guān)的導(dǎo)航信息。加速度計輸出的是b系也就是載體坐標(biāo)系下的比力fb，通過t系即轉(zhuǎn)換變?yōu)榈乩碜鴺?biāo)系下的比力ft，把比力ft通過一次積分獲得t系下載體的速度，由二次積分計算出載體的位置。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，對姿態(tài)矩陣進(jìn)行更新，在姿態(tài)矩陣計算的基礎(chǔ)上，得到運載體的方向、航向等信息。加速度計、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陀螺儀的隨機誤差補償方法

無線性規(guī)律、慢時變是MEMS陀螺儀隨機漂移誤差最為主要的特點，不是簡單的數(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，就會造成輸出的信號存在大量的隨機漂移誤差，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、補償MEMS陀螺儀的隨機漂移誤差是一件具有關(guān)鍵的研究意義。現(xiàn)如今，通常應(yīng)用以下三類手段對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)補償由于溫度變化而造成的MEMS陀螺儀誤差，緩解因為溫度對MEMS陀螺儀精度帶來的不良后果;

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)對精度造成的影響， 然而該類方法需要的時間較長，所需要的經(jīng)費很高，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，補償MEMS陀螺儀誤差， 強化MEMS陀螺儀的精度，這種方法最大的優(yōu)勢就是時間短、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)上能夠在短時間內(nèi)獲得MEMS陀螺儀相關(guān)的隨機誤差模型，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，簡稱為PSD，實際上就是一種頻域分析的手段，通常情況下，不同的隨機誤差需要不同的功率譜密度來對各誤差項進(jìn)行辨識。其中隨著傅里葉的變換小波變換是也抓緊發(fā)展起來，作為一種信號分析、處理的手段，能夠在一定的頻域、時域中同時詳細(xì)表征信號。在對陀螺儀的隨機誤差信號具體的處理過程中，小波去噪的方法可以有效地削弱隨機誤差給陀螺儀精度帶來的不良影響。

5 ?結(jié)語

綜上所述，怎樣在MEMS陀螺儀的隨機誤差的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個合理科學(xué)的模型以及進(jìn)行補償，儼然成為了增強MEMS陀螺儀精度的一個關(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、集成與試驗研究[C].慣性技術(shù)發(fā)展動態(tài)發(fā)展方向研討會，2011.

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