CN106052668B - 一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法，步骤包括：合理选择标度因数非线性的补偿位置，根据输入输出关系建立标度因数补偿和输出补偿模型；在‑40℃～+60℃内进行全温实验并根据实验数据计算高、低、常温标度因数，按照补偿模型进行标度因数的分段温度补偿，分段情况为‑40℃～+20℃和+20℃～+60℃，可根据实际情况调整分段方式；在关键温度点下选取关键转速点测量输出，根据测量数据用最小二乘法拟合转速与陀螺输出直线，即标度因数直线；计算拟合直线与陀螺仪实际输出的差值得到拟合残差，根据拟合残差对转速做分段处理后基于补偿模型补偿硅微陀螺仪标度因数线性度。

Description

一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法
技术领域
本发明涉及陀螺仪转速测量领域，特别是涉及一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法。
背景技术
随着MEMS惯性技术的发展，硅微陀螺仪越来越成为国内外研究的热点。与传统的陀螺仪相比硅微陀螺仪具有成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高及便于智能化的特点。法国THALES公司研制出一款新型线性双质量结构硅微陀螺仪带宽为300Hz，零偏稳定性为<0.1°/h，其量程较大达到±1000°/s。德国LITEF GmbH公司提出一种新型双质量陀螺结构以适应较高精度应用领域的要求，其零偏稳定性为0.12°/h，量程为±1000°/s。为提高陀螺仪的测量精度扩大使用范围，拓展硅微陀螺仪的量程成为一项关键技术。
硅微陀螺仪比较热门的技术研究主要为陀螺仪的测控电路、温度补偿等，对于量程拓展技术及由此带来的非线性补偿技术研究较边缘化。硅微陀螺仪量程扩大后会引起标度因数线性度的恶化，进而会引起硅微陀螺仪测量精度变低，因此有必要对大量程下的标度因数线性度进行补偿。
发明内容
发明目的：本发明主要解决的技术问题是提供一种非线性数字补偿方法，能够解决硅微陀螺仪量程增大后标度因数线性度恶化的问题。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法，包括如下步骤：步骤1，选择硅微陀螺仪非线性数字补偿点，补偿点包括标度因数温度补偿点和输出补偿点，并建立标度因数温度补偿模型与标度因数温度补偿点的电路以及输出补偿模型与输出补偿点的电路，
步骤2，对硅微陀螺仪进行全温实验，温度范围为-40℃～+60℃，并计算硅微陀螺仪分别在+60℃、+20℃、-40℃三个温度处的标度因数，以+60℃时的标度因数为基准，根据温度与频率、频率与标度因数的正比关系分段拟合并补偿标度因数，提高其温度稳定性；
步骤3，在全温范围内对温度分段，在固定温度段内选择关键转速测量点测量对应输出，并利用matlab拟合出转速与对应的输出的电压的直线，其斜率即为标度因数，将拟合直线的值与实际值做差计算关键转速测量点的拟合残差，按照拟合残差的值做转速分段，在最后输出位置利用AD模拟数字转换采集到输出的值估算转速的大概值，确定被测转速所在的转速段后进行输出补偿，根据拟合残差的值确定输出补偿量。
步骤1中所述标度因数温度补偿模型包括数字补偿控制器模块和测试与补偿电路模块，标度因数温度补偿模型如下式所示：
其中，Va为补偿点处电压，Vref为参考电压，Vc-cf为数字补偿控制器模块控制的电压补偿量，R2、R3、R4为电阻的阻值。
温度和陀螺谐振频率成正比，温度可用谐振频率等效替换，根据实验可知温度和标度因数呈现出分段正比，即在温度段为-40℃-+20℃和+20℃-+60℃分别近似为正比关系，因此通过如下公式计算电压补偿量Vc-cf：
其中Δn-h、Δl-h分别为常温到高温的标度因数变化量和低温到高温的标度因数变化量；f为补偿所处温度点的硅微陀螺仪谐振频率，f+60、f+20、f-40分别为+60℃、+20℃、-40℃时对应的陀螺谐振频率。硅微陀螺谐振频率可通过数字控制器检测。
步骤1中所述输出补偿模型包括温度测量模块、控制器控制处理模块、输出补偿模块和转速估测模块，输出补偿模型如下式所示：
V0为输出电压，Vi为检测电压，Vc-0为根据拟合残差确定的输出电压的补偿量，输出补偿量根据步骤3中的实验方法确定。R1为电阻的阻值。
有益效果：本发明方法有如下优点：(1)合理选择补偿位置，可使补偿模型简单；(2)根据实验计算拟合残差可以容易适应陀螺的个体差异，提高适用性；(3)温度范围内的标度因数补偿实现对非线性的粗补偿，而后根据拟合残差做转速分段可以提高补偿的合理性，两种方法相结合可达到有效补偿标度因数补偿的目的。通过上述方式，本发明能够有效改善硅微陀螺仪的标度因数非线性，特别是在增大量程时，可以提高陀螺仪的检测精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明补偿方法的原理示意图。
图2是本发明的标度因数温度补偿模型示意图。
图3是本发明的标度因数温度补偿点的电路图。
图4是本发明的输出补偿模型示意图。
图5是本发明的输出补偿点的电路图。
图6是本发明硅微陀螺仪非线性数字补偿的流程图。
具体实施方式
图1为本发明的原理示意图。按照补偿的需要建立标度因数的温度补偿模型和输出补偿模型。标度因数补偿模型为：
Va为补偿点处电压，Vref为参考电压，Vc-cf为数字补偿控制器模块控制的电压补偿量。温度和陀螺谐振频率成正比，温度可用谐振频率等效替换，并以高温为基准，并分段计算补偿量Vc-cf为：
其中Δn-h、Δl-h分别为常温到高温和低温到高温的标度因数变化量。
输出补偿模型为：
V0为输出电压，Vi检测电压，Vc-0为根据拟合残差确定的输出电压的补偿量。
图2和图3分别为标度因数温度补偿模型示意图和标度因数温度补偿点的电路图，标度因数温度补偿包括数字补偿控制器模块201和测试与补偿电路模块202，如图3所示，补偿点处电压Va电阻R4连接运算放大器的负输入端，数字补偿控制器模块控制的电压补偿量Vc-cf经电阻R2连接运算放大器的负输入端，参考电压Vref经电阻R3连接运算放大器的负输入端，运算放大器的正输入端接地，电阻R1与电容C1串联后与电容C2并联，该并联电路的一端连接运算放大器的负输入端，另一端与运算放大器的输出端连接作为该标度因数温度补偿点的电路的输出端。标度因数温度补偿点电路301处电阻R2、R4为比例电阻，可根据需要调整以满足数字输出的要求。
图4和图5分别为输出补偿模型示意图和输出补偿点的电路图。输出补偿模型包括温度测量模块401、控制器控制处理模块402、输出补偿模块403、转速估测模块404。
如图5所示，输出补偿电路501实质是为一个加法器。检测电压Vi经电阻R1和电阻R2连接运算放大器的负输入端，电阻R1和电阻R2之间引出一端经电容C1接地，根据拟合残差确定的输出电压的补偿量Vc-0经电阻R4和电阻R3连接至运算放大器的输出端，V0为输出电压，电阻R4和电阻R3之间引出一端分别连接电阻R1、电阻R2和电容C1，电阻R3与运算放大器的输出端之间引出一端经电容C2连接运算放大器的负输入端，运算放大器的正输入端接地。
选取硅微陀螺仪系统进行全温实验，温度范围为-40℃～+60℃，并计算硅微陀螺仪在高低温和常温+60℃、+20℃、-40℃三个关键温度处的标度因数，而后以+60°C的标度因数为基准，按照补偿模型分段拟合补偿，通过控制器和DA转换输出。
在全温范围内对温度分段，在固定温度段内选择关键转速测量点测量对应输出,并利用matlab拟合出转速与对应的输出的电压的直线，其斜率即为标度因数，而后将拟合直线的值与实际值做差计算关键转速点的拟合残差，按照拟合残差的值做转速分段并确定补偿量。在最后输出位置利用AD转换采集到输出的值估算转速的大概值，确定被测转速所在的转速段后进行输出补偿。所述发明的实验流程图为图6所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种大量程硅微陀螺仪非线性数字补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择硅微陀螺仪非线性数字补偿点，补偿点包括标度因数温度补偿点和输出补偿点，并建立标度因数温度补偿模型与标度因数温度补偿点的电路以及输出补偿模型与输出补偿点的电路，
步骤2，对硅微陀螺仪进行全温实验，温度范围为-40℃～+60℃，并计算硅微陀螺仪分别在+60℃、+20℃、-40℃三个温度处的标度因数，以+60℃时的标度因数为基准，根据温度与频率、频率与标度因数的正比关系分段拟合并补偿标度因数，提高其温度稳定性；
步骤3，在全温范围内对温度分段，在固定温度段内选择关键转速测量点测量对应输出，并拟合出转速与对应的输出的电压的直线，其斜率即为标度因数，将拟合直线的值与实际值做差计算关键转速测量点的拟合残差，按照拟合残差的值做转速分段，在最后输出位置利用AD模拟数字转换采集到输出的值估算转速的大概值，确定被测转速所在的转速段后进行输出补偿，根据拟合残差的值确定输出补偿量；
步骤1中所述标度因数温度补偿模型包括数字补偿控制器模块和测试与补偿电路模块，标度因数温度补偿模型如下式所示：
其中，Va为补偿点处电压，Vref为参考电压，Vc-sf为数字补偿控制器模块控制的电压补偿量，R2、R3、R4为电阻的阻值；
通过如下公式计算电压补偿量Vc-sf：
其中Δn-h、Δl-h分别为常温到高温的标度因数变化量和低温到高温的标度因数变化量；f为补偿所处温度点的硅微陀螺仪谐振频率，f+60、f+20、f-40分别为+60℃、+20℃、-40℃时对应的陀螺谐振频率；
步骤1中所述输出补偿模型包括温度测量模块、控制器控制处理模块、输出补偿模块和转速估测模块，输出补偿模型如下式所示：
V0为输出电压，Vi为检测电压，Vc-0为根据拟合残差确定的输出电压的补偿量，R1为电阻的阻值。
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