CN106289207A

CN106289207A - 一种基于差分mems陀螺仪的高精度测量方法

Info

Publication number: CN106289207A
Application number: CN201510363439.5A
Authority: CN
Inventors: 黄文广; 穆阳阳; 孙晓群; 冯涛; 王文翰
Original assignee: China Aerospace Ke Gong Group 4th Research Institute's Command Automation Technical Research And Application Center
Current assignee: China Aerospace Ke Gong Group 4th Research Institute's Command Automation Technical Research And Application Center
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明提供了一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，包括：选取陀螺仪构建至少两个差分对；采集正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数；依据正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，计算各阶拟合系数；依据各个各阶拟合系数，计算各个各阶拟合系数的平均数；计算各阶拟合系数方差；选取各阶拟合系数方差最小的差分对，测量输入角速度。通过本发明提供的方法，选取各阶拟合系数方差最小的差分对，消除环境因素对陀螺造成的误差，提高陀螺测量精度，这就把目前难度很大的通过改善陀螺仪加工工艺的方法来提高陀螺仪精度的问题，转化为了难度不大的通过消除相似陀螺误差的方法来提高陀螺仪精度的问题，提高了陀螺仪的精度。

Description

一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种提高陀螺仪测量精度的方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低和成本低等优点，已被广泛利用于导航与制导技术领域。

由于陀螺仪的核心敏感元件及其处理电路很容易受到外界因素的影响，例如温度、电磁、震动、重力、湿度、气压等外界因素都可能会影响陀螺仪敏感元件和处理电路的特性，从而影响陀螺仪输出精度，因此需要借助外界设备对其测量结果进行标定。

现有的标定技术，主要是通过转台、温箱进行速率标定和温度标定，通过标定得到陀螺仪受温度影响零位、零偏的变化、标度因素和安装误差等。

现有的陀螺标定因数的求解方式如下：

设为第j个输入角速度时陀螺仪输出的平均值，标度因数计算方法如公式(1)、(2)和(3)所示：

\overset{&OverBar;}{F_{j}} = \frac{1}{N} Σ_{n = 1}^{N} F_{j n} - - - (1)

{\overset{&OverBar;}{F}}_{r} = \frac{1}{2} (\overset{&OverBar;}{F_{s}} + \overset{&OverBar;}{F_{e}}) - - - (2)

F_{j} = \overset{&OverBar;}{F_{j}} - {\overset{&OverBar;}{F}}_{r} - - - (3)

其中，F_j为陀螺仪的输出角度，F_jn为陀螺仪第N个输出值，为测试开始陀螺仪输出的平均值，为测试结束时陀螺仪输出的平均值，为测试中陀螺仪输出的平均值。

建立陀螺仪输入输出关系的线性模型，如公式(4)所示：

F_j＝K·Ω_ij+F₀+v_j (4)

其中，F_j是陀螺的输出角度，K为陀螺仪的标度因数，Ω_ij为第j个输入角速度，F₀为拟合零位，单位为度每小时(°/h)，v_j是陀螺仪测量噪声。

用最小二乘法求陀螺仪的标度因数K和拟合零位F₀：

K = \frac{Σ_{j = 1}^{M} Ω_{i j} \cdot F_{j} - \frac{1}{M} Σ_{j = 1}^{M} Ω_{i j} . Σ_{j = 1}^{M} F_{j}}{Σ_{j = 1}^{M} {Ω^{2}}_{i j} - \frac{1}{M} {(Σ_{j = 1}^{M} Ω_{ij})}^{2}} - - - (5)

F_{0} = \frac{1}{M} Σ_{j = 1}^{M} F_{j} - \frac{K}{M} Σ_{j = 1}^{M} Ω_{i j} - - - (6)

由于陀螺仪的标度因素、零偏、零偏稳定性等受温度，湿度等环境的影响，每次测量值都不相同或有细微的变化，因此一次标定并不能够准确测量陀螺的零偏、标度因数等参数，在实际使用时必然会带来一定的误差。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何提高陀螺仪的测量精度。

发明内容

本发明提供了一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，以解决陀螺仪测量精度不高的技术问题。

本发明实施例提供了一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，包括：

选取陀螺仪构建至少两个差分对，所述差分对中包括一个正向陀螺仪和一个反向陀螺仪，所述正向陀螺仪和所述反向陀螺仪分别置于同一转台敏感轴的正侧和反侧，使所述正向陀螺仪和所述反向陀螺仪以相同角速率分别正向旋转和反向旋转，使外部信号对所述正向陀螺仪和所述反向陀螺仪表现为共模差分信号；

采集正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数；依据所述正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，计算各阶拟合系数；

依据各个所述各阶拟合系数，计算各个所述各阶拟合系数的平均数；

依据所述平均数，计算各阶拟合系数方差；

选取所述各阶拟合系数方差最小的差分对，测量输入角速度。

优选地，所述测量输入角速度w的过程如下所示：

w = \frac{(G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i})}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - N_{c}

其中，N_c为高斯白噪声，K_bd为正向陀螺和反向陀螺仪的环境系数比值，K_p为正向陀螺仪的标定因数，K_n为反向陀螺仪的标定因数，G_p为正向陀螺仪的输出值，G_n为反向陀螺仪的输出值，K_pwi为正向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，K_pwi表示负向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，W_pi表示正向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，W_ni表示负向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，i＝1，...n，n＝2～7。

优选地，所述高斯白噪声N_c的计算过程如下所示：

N_{c} = \frac{N_{1} - K_{b d} \cdot N_{2}}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}}

其中，N₁为正向陀螺仪测试时的测量噪声，N₂为负向陀螺仪测试时的测量噪声。

优选地，所述为正向陀螺和反向陀螺仪的环境系数比值K_bd的计算过程如下所示：

K_{b d} = \frac{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{p j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} - K_{p} \cdot w)}{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{n j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} \cdot W_{n i} - K_{n} \cdot w)}

其中，j表示每次参与数据平滑处理的数据个数，j＝1，...m，m＝8～30，G_pj表示正向陀螺仪第j个采样点的输出值，G_nj表示负向陀螺仪第j个采样点的输出值，w为测试时刻的输入角速度。

优选地，所述选取陀螺仪构建至少两个差分对包括：

从相同批次、相同工艺和相同量程的陀螺仪中选取陀螺仪构建至少两个差分对。

优选地，所述依据所述正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，计算各阶拟合系数包括：

将所述正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数做商，获得所述各阶拟合系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：选取各阶拟合系数方差最小的差分对，提高了组成差分陀螺对的两个陀螺仪的相似性，这就把目前难度很大的通过改善陀螺仪加工工艺的方法来提高陀螺仪精度的问题，转化为了难度不大的通过提高两个陀螺仪相似性的方法来提高陀螺仪精度，提高了陀螺仪的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种提高陀螺仪测量精度的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的陀螺仪测量角速度装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于差分MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)陀螺仪的高精度测量方法，以解决陀螺仪测量精度不高的问题，本发明实施例提供的基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法包括以下步骤：

S101，选取陀螺仪构建至少两个差分对，差分对中包括一个正向陀螺仪和一个反向陀螺仪，正向陀螺仪和反向陀螺仪分别置于同一转台敏感轴的正侧和反侧，使正向陀螺仪和反向陀螺仪以相同角速率分别正向旋转和反向旋转，使外部信号对正向陀螺仪和反向陀螺仪表现为共模差分信号。

在本步骤中，可以从相同批次、相同工艺和相同量程的陀螺仪中选取陀螺仪构建至少两个个差分对，每个差分对中包括两个陀螺仪。

例如，从100个相同批次、相同工艺和相同量程的陀螺仪中选取20个陀螺仪构建10个差分对，每个差分对中包括两个陀螺仪。由于相同批次、相同工艺和相同量程的陀螺仪的环境敏感特性比较相似，这样就满足了建立差分对的要求。

可以将差分对中的两个陀螺仪分别设置于同一转台的正侧和反侧，使两个陀螺仪以相同角速度分别正向旋转和反向旋转。一般来说，转台台面向上的方向为正侧，转台台面向下的方向为反侧；设置于转台正侧的陀螺仪可以称为正向陀螺仪，设置于转台反侧的陀螺仪可以称为反向陀螺仪。

S102，采集正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，依据正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，计算各阶拟合系数。

在本步骤中，可以将正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数做商，获得各阶拟合系数。各阶拟合系数可以包括陀螺仪的标度因数、温度漂移系数和安装误差系数。

步骤S103，依据各个各阶拟合系数，计算各个各阶拟合系数的平均数。

在本步骤中，可以将各个各阶拟合系数进行累加，再除以各阶拟合系数的数量，以获得各个各阶拟合系数的平均数。例如，差分对1的各阶拟合系数为0.7，差分对2的各阶拟合系数为1，差分对3的各阶拟合系数为1.1，则各个各阶拟合系数的平均数为0.93。

步骤S104，依据平均数，计算各阶拟合系数方差。

在本步骤中，可以依据(x_i-M)²计算各阶拟合系数方差，其中x_i为差分对ⁱ的个阶拟合系数，ⁱ为大于等于2的正整数，M为各个差分对的各阶拟合系数平均值。

例如，差分对1的各阶拟合系数为0.7，差分对2的各阶拟合系数为1，差分对3的各阶拟合系数为1.1，则各个各阶拟合系数的平均数为0.93。

则差分对1的各阶拟合系数方差为0.0529，差分对2的各阶拟合系数方差为0.0049，差分对2的各阶拟合系数方差为0.0729。

S105，选取各阶拟合系数方差最小的差分对，测量输入角速度。

在本步骤中，各阶拟合系数方差越小的差分对中的两个陀螺仪的相似性最为接近。测量输入角速度w的过程如下所示：

w = \frac{(G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i})}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - N_{c}

其中，N_c为高斯白噪声，K_bd为正向陀螺和反向陀螺仪的环境系数比值，K_p为正向陀螺仪的标定因数，K_n为反向陀螺仪的标定因数，G_p为正向陀螺仪的输出值，G_n为反向陀螺仪的输出值，K_pwi为正向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，K_nwi表示负向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，W_pi表示正向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，W_ni表示负向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，i＝1，...n，n＝2～7。

通过本发明实施例提供的一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，选取各阶拟合系数方差最小的差分对，提高了组成差分陀螺对的两个陀螺仪的相似性，这就把目前难度很大的通过改善陀螺仪加工工艺的方法来提高陀螺仪精度的问题，转化为了难度不大的通过提高两个陀螺仪相似性的方法来提高陀螺仪的问题，提高了陀螺仪的精度。

为进一步提高测量角速度的精度，可以将不同量程的陀螺仪混合使用测量角速度，例如，转速较高时，可以使用大量程的陀螺仪测量角速度；转速较低时，可以使用小量程的陀螺仪测量角速度。通过对载体角速度的判断，在不同量程的陀螺之间进行切换，兼顾陀螺测量精度和范围的问题，减少了小量程陀螺在使用过程中经常会遇见的过载情况，提高陀螺的抗过载能力。

实施例二

本发明实施例二提供了测量输入角速度w的具体推导过程。

根据陀螺仪的工作原理和测试原理，可得出陀螺仪的输出值G与输入角速度ω之间的关系式，将输出值G和可以测试、标定和补偿的n个确定性误差项放在等式的左边，将未知的输入角速度ω和难以测试、标定、补偿的不确定性误差项和噪声项放在等式的右边，则陀螺仪的输出值G与输入角速度ω之间的关系式如公式(7)所示：

G - Σ_{i = 1}^{n} K_{w i} \cdot W_{i} = K \cdot w + K_{d} \cdot D + N - - - (7)

其中，G为陀螺仪的输出值，K_wi是第i个确定性误差项系数，i＝1,...,n；W_i是第i个确定性误差项，i＝1,...,n，n＝2～7，K为陀螺仪的标度因数，K_d是不确定性总误差系数；D测试时刻的不确定误差量的总和；N为测量噪声。

如图2所示，当沿着被测转动轴Z有一个输入角速度w时，则正向陀螺仪1的敏感轴OA1测量到的输入角速度为+w，而负向陀螺仪2的敏感轴OA2测量到的输入角速度为-w。为了区别两个陀螺仪的参数，可以给正向陀螺仪参数标注下标p，给负向陀螺仪参数标注下标n。则根据公式(7)得出正向陀螺仪的输入输出关系如公式(8)所示：

G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} = K_{p} \cdot w + K_{p d} D_{1} + N_{1} - - - (8)

其中，G_p为正向陀螺仪的输出值，K_pwi为正向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，W_pi表示正向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，，i＝1，...n，n＝2～7，N₁为正向陀螺仪测试时的测量噪声，D₁为正向陀螺仪不确定性误差总量，K_pd为正向陀螺仪环境系数。

根据公式(7)得负向陀螺仪的输入输出关系如公式(9)所示：

G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} \cdot W_{n i} = K_{n} \cdot (- w) + K_{n d} D_{2} + N_{2} - - - (9)

其中，G_n为反向陀螺仪的输出值，K_nwi表示负向陀螺仪第i个采样点的确定性误差项系数，W_ni表示负向陀螺仪测试时刻第i个确定性误差项，，i＝1，...n，n＝2～7，N₂为负向陀螺仪测试时的测量噪声，D₂为反向陀螺仪不确定性误差总量，K_nd为反向陀螺仪环境系数。

可以在已知输入角速度w下，取一段时间内m个数据做平均，以消除噪声N的影响，由(8)和(9)可得：

{\overset{&OverBar;}{K}}_{p d} = \frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} K_{p d} \cdot D_{p} = \frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} - K_{p} \cdot w - N_{1}) - - - (10)

{\overset{&OverBar;}{K}}_{n d} = \frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} K_{n d} \cdot D_{n} = \frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} \cdot W_{n i} - K_{n} \cdot w - N_{2}) - - - (11)

相反方向上的两个陀螺的环境系数比值K_bd为：

\begin{matrix} K_{b d} = \frac{K_{p d}}{K_{n d}} \approx \frac{{\overset{&OverBar;}{K}}_{p d}}{{\overset{&OverBar;}{K}}_{n d}} \\ = \frac{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{p j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} - K_{p} \cdot w - N_{1})}{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{n j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} - K_{ni} \cdot w - N_{2})} \end{matrix} - - - (12)

假设量测噪声为白噪声，则其数学期望值为零，则相反方向上的两个陀螺的环境系数比值K_bd为：

K_{b d} = \frac{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{p j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} - K_{p} \cdot w)}{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{n j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} \cdot W_{n i} - K_{n} \cdot w)} - - - (13)

将公式(8)减去公式(9)，并且两端同时乘以K_bd，则可以获得以下公式(14)：

\begin{matrix} (G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i}) \\ = (K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}) \cdot w + (K_{p d} - K_{b d} \cdot K_{n d}) \cdot D + (N_{1} - K_{b d} \cdot N_{2}) \end{matrix} - - - (14)

因为K_pd＝K_bd·K_nd，则可以获得以下公式(15)：

w = \frac{(G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i}) - (N_{1} - K_{b d} \cdot N_{2})}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - - - (15)

陀螺仪的量测噪声一般为高斯白噪声N_c：

N_{c} = \frac{N_{1} - K_{b d} \cdot N_{2}}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - - - (16)

将公式(16)带入公式(15)，则输入角速度w的实时解算公式化简为公式(17)：

w = \frac{(G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i})}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - N_{c} - - - (17) .

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于差分MEMS陀螺仪的高精度测量方法，其特征在于，包括：

依据所述平均数，计算各阶拟合系数方差；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量输入角速度w的过程如下所示：

w = \frac{(G_{p} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i}) - (K_{b d} \cdot G_{n} - Σ_{i = 1}^{n} K_{b d} \cdot K_{n w i} \cdot W_{n i})}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}} - N_{c}

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高斯白噪声N_c的计算过程如下所示：

N_{c} = \frac{N_{1} - K_{b d} \cdot N_{2}}{K_{p} + K_{b d} \cdot K_{n}}

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述为正向陀螺和反向陀螺仪的环境系数比值K_bd的计算过程如下所示：

K_{b d} = \frac{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{p j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{p w i} \cdot W_{p i} - K_{p} \cdot w)}{\frac{1}{m} Σ_{j = 1}^{m} (G_{n j} - Σ_{i = 1}^{n} K_{n w i} \cdot W_{n i} - K_{n} \cdot w)}

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取陀螺仪构建至少两个差分对包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述正向陀螺仪的各阶系数和反向陀螺仪的各阶系数，计算各阶拟合系数包括：