CN104197957A - 微陀螺测量系统及采用该系统测量零偏稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

微陀螺测量系统及采用该系统测量零偏稳定性的方法，涉及微陀螺芯片的性能测试技术。它为了解决现有技术中缺少针对微陀螺芯片性能进行大量数据测试与比较的系统，导致对微陀螺的选择只能基于数据手册上的性能指标的问题。本发明采用STM32F103C8型芯片作为核心处理器与微陀螺进行通信，首先对微陀螺进行配置，然后将微陀螺测得的角速度等信息通过无线方式发送至上位机，再由上位机对数据进行处理，通过Allan方差来计算得到微陀螺的零偏稳定性。本发明结构简单，能够采集大量的微陀螺测得的数据，并通过软件对数据进行处理，得到微陀螺的零偏稳定性为微陀螺的选用提供可靠依据。本发明适用于微机械陀螺的应用。

Description

微陀螺测量系统及采用该系统测量零偏稳定性的方法

技术领域

本发明涉及微陀螺芯片的性能测试技术。

背景技术

微陀螺又称角速度计，是用于测量物体相对于惯性空间转动的角速度的惯性传感器。在航空航天、军事、民用等许多领域有着极为重要的应用，是各国发展的重点技术。微陀螺按照制作原理及结构可将其大致分为机械式微陀螺、光学微陀螺、微机械微陀螺三类。机械式陀螺是由机械加工制造的转动式陀螺，它利用高速转动的物体角动量守恒原理测量角速度。这种陀螺精度高，但其结构复杂，成本高，使用寿命有限。光学微陀螺包括光纤陀螺和激光陀螺，这种陀螺没有可动部分，具有较长的使用寿命和较高的性能，但是与机械式陀螺一样，都有体积大，价格昂贵，功耗高能缺点。

90年代初期，随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的产生与发展，基于MEMS技术的第三代微机械陀螺产生了。相比于传统陀螺，微机械陀螺具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、带宽大；以硅为主要材料，机械电气性能优良；易于批量生产且生产成本低；易于集成化，能在极小的空间内把不同功能，不同敏感方向的传感器或执行器集成与一体，形成为传感器阵列，等优点。基于以上优点，微陀螺方便应用于嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，因此在国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中，具有广泛的应用前景。

但是，制约微机械陀螺应用的瓶颈是其精度偏低。虽然从20世纪80年代开始，经过数十年的研究，一系列各种类型各种原理的微陀螺在结构和精度上发展很大，但是由于MEMS工艺本身加工精度的限制以及设计原理本身的局限性，目前技术还没有取得质的飞跃。不同级别的陀螺性能指标如表1所示。

表1  不同级别的陀螺性能指标

传统的微陀螺选用方案均基于数据手册上的性能指标选择芯片，而未对芯片进行大量数据测试与比较。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中缺少针对微陀螺芯片性能进行大量数据测试与比较的系统，导致对微陀螺的选择只能基于数据手册上的性能指标的问题，提供一种微陀螺测量系统及采用该系统测量零偏稳定性的方法。

本发明所述的微陀螺测量系统包括一号主控电路、二号主控电路、上位机、无线发送模块和无线接收模块；

一号主控电路用于对微陀螺进行配置、更新微陀螺的片内FLASH、存储配置信息，以及从微陀螺读取角速度数据，并将读取到的数据通过无线发送模块和无线接收模块发送至二号主控电路；

二号主控电路用于将接收到的数据发送给上位机；

上位机用于验证配置信息是否已写入微陀螺，以及对接收到的角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。

所述的一号主控电路和二号主控电路均采用STM32F103C8型芯片实现。

所述的配置信息包括微陀螺量程选择、微陀螺的校正字、微陀螺采样频率和巴特利特窗FIR数字滤波器的选择。

所述的上位机采用Matlab对微陀螺发来的角速度数据进行计算，计算上述数据的Allan方差，并将Allan方差的计算结果为作微陀螺的零偏稳定性。

采用上述微陀螺测量系统测量零偏稳定性的方法包括以下步骤：

步骤一、一号主控电路对微陀螺进行配置，然后更新微陀螺的片内FLASH，并存储配置信息；

步骤二、一号主控电路读取微陀螺的配置寄存器内的数据，并将该数据通过二号主控电路发送给上位机；

步骤三、上位机根据步骤二中的数据验证配置信息是否已写入微陀螺内FLASH；

步骤四、微陀螺对测得的角速度信息进行校正和数字滤波，得到校正和数字滤波后的数据，并将该数据通过一号主控电路和二号主控电路上传给上位机；

步骤五、上位机实时显示微陀螺发来的角速度数据，并对该角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。

本发明所述的微陀螺测量系统采用STM32F103C8型芯片作为核心处理器与微陀螺进行通信，并将微陀螺测得的数据通过无线方式发送至上位机，再由上位机对数据进行处理，得到微陀螺的零偏稳定性。上述微陀螺测量系统结构简单，能够采集大量的微陀螺测得的数据，并通过软件对数据进行处理，得到微陀螺的零偏稳定性，且该测量系统还能够测量微陀螺的标度因数、分辨率、带宽、非线性度、灵敏度、测量范围等其他性能指标，为微陀螺的选用提供可靠依据。

采用上述微陀螺测量系统测量零偏稳定性的方法首先对微陀螺进行配置，然后对微陀螺测得的角速度进行计算与分析，计算与分析过程采用Matlab软件完成，通过Allan方差来计算得到微陀螺的零偏稳定性。上述方法能够测量大量的数据，并对大量数据进行处理，结果准确，为微陀螺的选用提供可靠依据。

附图说明

图1为实施方式一所述的微陀螺测量系统的原理框图；

图2为实施方式五中ADIS16260微陀螺测量的角速度的数据；

图3为图2的柱状分布图；

图4为加入零偏校正后ADIS16260微陀螺所测的角速度数据；

图5为ADIS16260微陀螺每两秒钟角速度测量数据的均值；

图6为1000秒后ADIS16260微陀螺所测的角速度数据；

图7为图6的柱状分布图；

图8为ADIS16260微陀螺零偏稳定性Allan方差曲线；

图9为补偿+4个灵敏度，测试10小时，ADIS16260微陀螺测量角速度数据；

图10为图9的柱状分布图；

图11为补偿+4个灵敏度，测试10小时，ADIS16260微陀螺每分钟角速度测量数据的均值；

图12为补偿+4个灵敏度，测试10小时，ADIS16260微陀螺零偏稳定性Allan方差曲线；

图13为补偿-553个灵敏度，测试10小时，ADIS16251微陀螺角速度数据；

图14为图13的柱状分布图；

图15为补偿-553个灵敏度，测试10小时，ADIS16251微陀螺每分钟角速度测量数据的均值；；

图16为补偿-553个灵敏度，测试10小时，ADIS16251微陀螺零偏稳定性Allan方差曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的微陀螺测量系统包括一号主控电路1、二号主控电路2、上位机3、无线发送模块4和无线接收模块5；

一号主控电路1用于对微陀螺进行配置、更新微陀螺的片内FLASH、存储配置信息，以及从微陀螺读取角速度数据，并将读取到的数据通过无线发送模块4和无线接收模块5发送至二号主控电路2；

二号主控电路2用于将接收到的数据发送给上位机3；

上位机3用于验证配置信息是否已写入微陀螺，以及对接收到的角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。

一号主控电路1与二号主控电路2之间的通信采用有线和无线两种方式，使系统测试方便、灵活、可靠。无线传输方式中设计了发送机和接收机，发送机采集微陀螺数据，并将数据打包通过无线发送模块4发送出去，接收机接受发送机无线发送过来的数据，并将其接受到的数据上传给上位机。发送机和接收机分开设计，方便测试与应用。其中无线发送模块4和无线接收模块5采用NRF905芯片开发而成的KL-NRF905模块。KL-NRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段。ShockBurst工作模式下可自动产生前导码和CRC，减少误码率，且很容易通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。有线数据传输部分采用PL2303串口转USB模块实现发送机、接收机与上位机3之间的通信。

上述测量系统的数据处理部分主要包括微陀螺芯片自身的数据滤波、校正，和Matlab数据处理两部分。其中，微陀螺自带的比例校正、偏移校正寄存器，用于校正陀螺的输出灵敏度和偏差，另外微陀螺还自带多个级联的可选巴特利特窗FIR数字滤波器，对微陀螺测得的数据进行内部滤波。

配置微陀螺芯片的过程为，首先初始化主控芯片及陀螺芯片；其次，一号主控电路1通过SPI通信接口配置微陀螺芯片，其中配置信息包括微陀螺的校正字和巴特利特窗FIR数字滤波器的选择，然后更新陀螺芯片的片内FLASH，存储配置信息；之后，一号主控电路1读取微陀螺芯片的配置寄存器，读取到的数据通过串口发送给上位机3，上位机3验证配置信息是否写入微陀螺片内的FLASH。微陀螺将经过校正、数字滤波的数据上传给上位机3。

发送端发送数据的过程为：系统上电后，初始化一号主控电路1和二号主控电路2，并配置无线模块为发送模式，然后初始化微陀螺和无线模块，微陀螺读取FLASH校正信息，并将角度置零；一号主控电路1读取微陀螺测量的角速度信息，并打包发送给无线模块，即无线发送模块4，无线模块将接受到的数据打包发送给无线接收模块5。

接收端接收数据的过程为：系统上电后，初始化一号主控电路1和二号主控电路2，并配置无线模块为接收模式，初始化无线模块；无线模块接收发送端发来的数据，二号主控电路2读取接收到的数据，并通过PL2303发送给上位机3。

上位机3内嵌入有基于VC++的数字采集软件，采用面向对象的程序设计方法。该软件通过串口接收一号主控电路1和二号主控电路2发来的微陀螺的数据，实时显示微陀螺测得的角速度和速度值，并加入卡尔曼滤波，同时绘制出滤波前后的实时曲线，能够清晰直观的看出角速度的变化，同时可以显示角速度的具体数值以及角度等其他数据。卡尔曼滤波用于对微陀螺的性能参数的改进。当微陀螺的某些性能参数不能满足需要时，可通过卡尔曼滤波对微陀螺发来的数据作进一步处理，然后根据滤波后的数据来判断改进后的性能参数是否满足需要。此外，软件还提供数据存储的功能，便于用户查看历史数据进行分析。本上位机3程序主要分为人机界面模块、串口通信模块、数据存储模块三大部分。人机界面对界面进行初始化设置，通过串口与二号主控电路2通信，获取二号主控电路2接收到的数据，对数据进行解算滤波等处理，再以数据及图像形式显示，并存储数据。上位机3工作过程为：首先通过人机交互获得通信端口、波特率、微陀螺的量程等参数，接着打开串口开始采集，通过一系列量程转换得出角度和角速度的实时值，并将计算结果送到界面实时显示，以及在曲线上描出相应的点。此外，采用本实施方式所述的系统还可以测量微陀螺的、标度因数、分辨率、带宽、非线性度、灵敏度，以及测量范围等相关数据。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的微陀螺测量系统的进一步限定，本实施方式中，所述的一号主控电路1和二号主控电路2均采用STM32F103C8型处理器实现。

STM32F103C8型处理器的内核为高性能的ARM Cortex-M332位的RISC，工作频率为72MHz，数据处理速度快；且该处理器具有丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，方便系统设计。器件包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN，方便通信和系统功能的扩展。该系统的一号主控电路1分别通过两个SPI接口与无线和微陀螺通信，通过UART口与上位机3通信，并加以I/O控制口，实现微陀螺测量功能。系统模块化设计，调试方便，应用灵活。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的微陀螺测量系统的进一步限定，本实施方式中，所述的配置信息包括微陀螺量程选择、微陀螺的校正字、微陀螺采样频率和巴特利特窗FIR数字滤波器的选择。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一所述的微陀螺测量系统的进一步限定，本实施方式中，所述的上位机3采用Matlab对微陀螺发来的角速度数据进行计算，计算上述数据的Allan方差，并将Allan方差的计算结果为作微陀螺的零偏稳定性。

具体实施方式五：结合图2至图16说明本实施方式，本实施方式是采用实施方式一所述的微陀螺测量系统测量零偏稳定性的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、一号主控电路1对微陀螺进行配置，然后更新微陀螺的片内FLASH，并存储配置信息；

步骤二、一号主控电路1读取微陀螺的配置寄存器内的数据，并将该数据通过二号主控电路2发送给上位机3；

步骤三、上位机3根据步骤二中的数据验证配置信息是否已写入微陀螺内FLASH；

步骤四、微陀螺对测得的角速度信息进行校正和数字滤波，得到校正和数字滤波后的数据，并将该数据通过一号主控电路1和二号主控电路2上传给上位机3；

步骤五、上位机3实时显示微陀螺发来的角速度数据，并对该角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。

微陀螺的性能测试主要为零偏稳定性的测试。当微陀螺相对于本地环境静止时，其角速度输出值并不为0。此时，微陀螺检测到的是地球自转在本地纬度处的水平分量和微陀螺自身原因而引起的零位偏移值之和，将此时微陀螺测量值减去地球自转的分量就是微陀螺的零偏。零偏及零偏稳定性的标准定义如下：

零偏：当陀螺实际处于非敏感状态时，也就是说此时输入角速率为零时，其理想的输出值应为零。实际中的不为零的非理想输出称为零偏，其值可称为零偏值。

零偏稳定性：由于零偏值存在噪声，则零偏值围绕其均值的离散程度称为零偏稳定性。以规定时间内零偏值的标准偏差相应的等效输入角速率表示，又称为零漂。零偏稳定性应该是在启动时间后，并达到陀螺规定性能之后进行测量给出的。

零偏稳定性是功率谱密度函数服从1/f分布的一类随机噪声过程，这种噪声广泛存在于许多自然现象中，是一种非平稳随机过程。微陀螺零偏稳定性的算法有多种，如Allan方差算法和动力调谐陀螺计算方法等，本实施方式采用被广泛使用的Allan方差算法对测试数据进行处理分析。

(1)微陀螺零偏校正量通过以下公式求得：

$B_0=\frac{1}{N}\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_p-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Earth}}\sin \mathrm{\φ}$

其中，为所测得的角速度数据的平均值，ω_Earth为地球自转角速率，其值为15.0407°/h，或0.0042°/s，φ为微陀螺测试点的地球纬度值，B₀即为计算出的应加的校正量，其为计算出零偏而后扣除地球自转分量后的值。

(2)微陀螺零偏稳定性通过Allan方差计算：

用Allan方差法计算微陀螺零偏稳定性的基本思想为：假设采集到了微陀螺输出的n个数据，首先要把n个数据进行分组，设每一组包含的数据个数为变量x(变量x为Allan方差曲线的横坐标，x的取值范围根据实际需要来定义)，数据分组的个数为变量y(y是x的变量)，则Allan方差定义为：

${\mathrm{\σ}}_y^2\left(x\right)=\frac{1}{2M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{y}}_k-{\stackrel{\‾}{y}}_{k-1})}^2$

为在某一确定x值下第k组和第k-1组数据测量值的平均值，M为在某一确定x值下数据分组的份数。

微陀螺的参数测试需要对微陀螺进行长时间的重复测试，然后对测试得到的数据进行分析和计算，从而得到微陀螺的性能参数。微陀螺的测试必须将自动化的测试手段和专业的数学计算软件有机结合才能有效完成。因此本实施方式中，将微陀螺静置10个小时，用上位机人机界面将测得的数据自动储存打包，再用Matlab处理数据包，对微陀螺的精度、零偏、零偏稳定性等关键性能进行分析，并与数据手册进行比较，这样有效的节省了时间，提高了测试效率。由于测量的数据量大，得出的结论真实、可靠。

采用本实施方式所述的方法对ADIS16260型和对ADIS16251型两款微陀螺芯片的性能进行测试。

将ADIS16260陀螺仪水平固定在平台上，设定工作状态，量程为±80°/S，最小分辨率为0.01832°/s，设定上位机3的数据采样频率为50Hz，测试约3200秒，对陀螺仪输出量进行采样测试。图4-1为将陀螺仪所测的全部角速度数据以时间为序做出的顺序连线图，可以看到，零偏角速度数据呈现明显的均匀随机分布性，且随机分布的最大幅值不高(0.1deg/s左右)，这些特点均符合零偏数据应有的特点。虽然从图上看，零偏角速度的均值不大，但长期作用下其对角度输出的影响却是巨大的。为了对零偏角速度进行补偿，首先要分析其均值。因此做陀螺仪所测角速度数据的柱状分布图3，由柱状图可以看到，角速度零偏数据以-0.070446°/s为均值呈现类似于正态分布的趋势，这与零偏数据的随机性相吻合。

校正+4个分辨率后的测试：

基于零位偏移情况，ADIS16260微陀螺自带的校正要求校正量必须为0.01832°/s的整数倍，设定校正量为：4*0.01832°/s＝0.07328°/s，则校正后的理论角速均值度应为0.07328-0.070446＝0.002834°/s，基本等于在本地的地球自转角速度分量。加入零偏校正后，将ADIS16260陀螺仪重新固定在平台上，工作在默认状态，即量程为±80°/S，最小分辨率为0.01832°/s，设定上位机数据采样频率为50Hz，测试约6000秒，对陀螺仪输出量进行采样测试，有分析结果如下。

将加入零偏校正后微陀螺所测的角速度数据绘图，如图4所示。再做出以两秒为一组的角速度数据均值图像如图5所示。在前1000秒，数据呈现较明显的单调变化趋势，而1000秒以后，数据呈现出均值较稳定的随机分布状态。造成这种现象的原因是，ADIS16260微陀螺在刚启动时需要一定的预热时间，此时微陀螺的性能较差且不稳定，而随着预热的结束，微陀螺的性能趋于稳定，零偏误差的均值也趋于稳定状态。为了消除预热过程对零偏分析的影响，只研究1000秒以后的数据。1000秒后的角速度数据如图6、图7所示，对比之前的全数据曲线，可以发现此部分数据的均值更趋于稳定，基本截掉了预热期段。可见，截去预热数据后剩余角速度数据的均值较稳定，为0.021221°/s，接近于本地地球自转角速度。

而后，根据Allan方差的计算公式计算Allan方差曲线图，结果如图8所示。Allan方差随着每组时间跨度值x的增加而减小，在x＝110秒附近取得较稳定的平均值0.005°/s。而后，由于测试用的数据量只为5500秒左右，且截去了1000秒的预热期，Allan方差的值又因数据的限制而上升。但从图中能够看出，当量程为±80°/s时，ADIS16260微陀螺的零漂稳定性可以达到0.005°/s，与数据手册(0.007)相符。

补偿+4个灵敏度测试10小时结果分析(量程±80°/s)：

上述测试数据时间跨度均在50分钟左右，且需要去除一部分预热期数据。为了测试微陀螺长时间连续工作下的性能，更准确地分析计算微陀螺长时间连续工作时的零偏及零偏稳定性，采集了微陀螺连续工作10小时左右的数据。角速度数据及分布情况如图9和图10所示。由图可知，当长时间连续工作时，微陀螺的角速度数据输出均值更稳定，数据的正态分布性更好，微陀螺的性能更加稳定。以每分钟为一组对数据进行分组，画出每组数据均值的曲线图，如图11所示。由图可见，预热期过后，均值数据的波动在0.05°/s以下，波动很小，陀螺的性能良好。而后，根据公式计算Allan方差，计算结果如图12所示。由图可知，当长时间连续工作时，微陀螺的零偏稳定性可达到0.002°/s，与短时间动情的情况相比，零偏稳定性有很大提高。

ADIS16251微陀螺补偿-553个灵敏度测试10小时结果分析(量程±20°/s)：

与ADIS16260微陀螺的测试方法类似，首先对ADIS16251进行校正，然后采集ADIS16251微陀螺连续工作10小时的数据，加以计算分析。采集到的ADIS16251微陀螺角速度数据及分布如图13和图14所示。图9、图10与图13、4-13对比可看出，ADIS16260的角速度分布方差要远远小于ADIS16251。以每分钟为一组对数据进行分组，画出每组数据均值的曲线图，如图15所示，与图11对比可以看出16260的角速度测量均值变化更加平滑，收敛性更好。Allan方差的计算结果如图16所示。由图可以看到，在长时间连续工作时，ADIS16251微陀螺的零偏稳定性为0.012度/秒左右，与图12对比可得ADIS16260的零偏稳定性要远远优于ADIS16251。

通过以上实验，得出ADIS16260与ADIS16251性能指标如表2所示。由此可得出：ADIS16260和ADIS16251均设置为最小量程，加入校正和数字滤波后，以静置10h测得的数据分析得到ADIS16260的均值为0.031606，方差为0.0008571，零偏稳定性为0.002；ADIS16251的均值为0.0724，方差为0.022006，零偏稳定性为0.012。ADIS16260的均值、方差、零偏稳定性等测得的指标均比ADIS16251要小，因此，ADIS16260的可靠性要优于ADIS16251。

表2  ADIS16260与ADIS16251性能指标

Claims (5)

1.微陀螺测量系统，其特征在于：它包括一号主控电路(1)、二号主控电路(2)、上位机(3)、无线发送模块(4)和无线接收模块(5)；

一号主控电路(1)用于对微陀螺进行配置、更新微陀螺的片内FLASH、存储配置信息，以及从微陀螺读取角速度数据，并将读取到的数据通过无线发送模块(4)和无线接收模块(5)发送至二号主控电路(2)；

二号主控电路(2)用于将接收到的数据发送给上位机(3)；

上位机(3)用于验证配置信息是否已写入微陀螺，以及对接收到的角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。

2.根据权利要求1所述的微陀螺测量系统，其特征在于：所述的一号主控电路(1)和二号主控电路(2)均采用STM32F103C8型处理器实现。

3.根据权利要求1或2所述的微陀螺测量系统，其特征在于：所述的配置信息包括微陀螺量程选择、微陀螺的校正字、微陀螺采样频率和巴特利特窗FIR数字滤波器的选择。

4.根据权利要求1所述的微陀螺测量系统，其特征在于：所述的上位机(3)采用Matlab对微陀螺发来的角速度数据进行计算，计算上述数据的Allan方差，并将Allan方差的计算结果为作微陀螺的零偏稳定性。

5.采用权利要求1所述的微陀螺测量系统测量零偏稳定性的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、一号主控电路(1)对微陀螺进行配置，然后更新微陀螺的片内FLASH，并存储配置信息；

步骤二、一号主控电路(1)读取微陀螺的配置寄存器内的数据，并将该数据通过二号主控电路(2)发送给上位机(3)；

步骤三、上位机(3)根据步骤二中的数据验证配置信息是否已写入微陀螺内FLASH；

步骤四、微陀螺对测得的角速度信息进行校正和数字滤波，得到校正和数字滤波后的数据，并将该数据通过一号主控电路(1)和二号主控电路(2)上传给上位机(3)；

步骤五、上位机(3)实时显示微陀螺发来的角速度数据，并对该角速度数据进行计算，得到微陀螺的零偏稳定性。