CN106969785A - 陀螺仪自校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种陀螺仪自校准装置及方法，陀螺仪自校准装置包括信号发生器和信号处理电路，其中：信号发生器用于产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号，调制信号用于驱动陀螺仪输出具有相移分量的电流信号；信号处理电路用于处理陀螺仪输出的电流信号，得到电压值；其中，调制信号中电激励信号的角速度与电压值成线性关系。本发明采用电激励信号替代传统的高精度物理转台，完成陀螺仪的自校准，因此简化了陀螺仪的出厂标定校准程序，且降低了自校准成本；在陀螺仪的使用过程中，用户可实时进行陀螺仪的自校准，因此避免了陀螺仪在使用过程中，由于器件老化、环境温度变化、系统噪声等产生的器件参数变化，从而避免了陀螺仪精度的下降。

Description

陀螺仪自校准装置及方法

技术领域

本发明属于智能传感器领域，更具体地涉及一种陀螺仪自校准装置及方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)在20世纪80年代随着硅微机械加工技术的发展而逐渐成长起来，是微电子平面加工技术和硅微机械加工技术发展结合的产物。硅微机械技术是主要包括硅体微机械加工技术、表面微机械加工技术、键合技术、LIGA技术等。通过这些技术在硅片、玻璃等材料上制作尺度从微米级到毫米级的微传感器或执行器。

MEMS是将微传感器、微执行器和电路集成在一起的一种复杂系统。MEMS具有光、机、电一体化、体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。微机械陀螺仪按振动结构可分为旋转振动结构和线振动结构；按材料可以分为硅材料和非硅材料；按驱动方式可以分为压电式驱动、静电式驱动和电磁式驱动；按工作模式可以分为速率陀螺和速率积分陀螺；按检测方式可以分为压电性检测、电容性检测、光学检测、压阻型检测和隧道效应检测；按加工方式分为体硅机械加工、表面微机械加工和LIGA技术。

传统陀螺仪的标定校准需要高精度转台以及其他外部设备做支撑，操作复杂，成本高；且通常只在出厂之前进行标定校准，在使用过程中由于条件限制，不能对陀螺仪进行标定校准；而使用过程中陀螺仪又会由于器件老化、环境温度变化、系统噪声等原因，造成器件参数的变化，从而导致陀螺仪测量的精度下降，因此使MEMS陀螺仪一直处于低精度陀螺仪的行列，限制了MEMS陀螺仪的应用领域。

发明内容

基于以上技术问题，本发明的主要目的在于提出一种陀螺仪自校准装置及方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种陀螺仪自校准装置，包括信号发生器和信号处理电路，其中：

信号发生器，用于产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号，调制信号用于驱动陀螺仪输出具有相移分量的电流信号；

信号处理电路，用于处理陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号，得到电压值；

其中，基于调制信号中电激励信号的角速度与电压值之间存在的线性关系，陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

在本发明的一些实施例中，上述电激励信号为调频信号。

在本发明的一些实施例中，上述信号处理电路包括：

放大电路，用于将具有相移分量的电流信号转化为电压信号，并放大转化后的电压信号；

解调电路，用于将放大后的电压信号与调制信号相乘，得到解调信号，并输出至滤波电路；

滤波电路，用于滤除解调信号中的高频信号，得到电压值。

在本发明的一些实施例中，上述放大电路包括：

跨阻放大器，用于将具有相移分量的电流信号转化为电压信号；

运算放大器，用于放大转化后的电压信号。

在本发明的一些实施例中，上述解调电路包括乘法器，用于将解调后的电压信号与调制信号相乘，输出至滤波电路。

在本发明的一些实施例中，上述滤波电路包括滤波器，用于滤除解调电路输出的信号中的高频信号，得到电压值；其中，所述滤波器可以为巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器或贝塞尔低通滤波器等低通滤波器。

在本发明的一些实施例中，上述调制信号分为四个支路传输，其中第一支路作为I信号直接驱动陀螺仪，第二支路通过移相器作为Q信号驱动陀螺仪；第三支路和经由移相器的第四支路连接至信号处理电路中的解调电路。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号包括：

与第一支路的调制信号相对应的I电流信号，以及与第二支路的调制信号相对应的Q电流信号；

相应的，信号处理电路包括两个支路，每一支路均包括放大电路、解调电路和滤波电路，用于分别传输I电流信号和Q电流信号；第三支路连接至传输I电流信号支路中的解调电路；经由移相器的第四支路连接至传输Q电流信号支路中的解调信号。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪为MEMS陀螺仪；MEMS陀螺仪包括二自由度微机械陀螺仪，例如为硅基微机械振动陀螺仪。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出一种陀螺仪自校准方法，包括：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包含驱动信号和电激励信号的调制信号，用于驱动陀螺仪；

步骤2、陀螺仪在调制信号的驱动下输出具有相移分量的电流信号；

步骤3、信号处理电路处理具有相移分量的电流信号，得到电压值；

步骤4、重复步骤1～3，得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的电压值；

根据至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的电压值，得到电激励信号的角速度与电压值的线性关系曲线，基于此线性关系，所述陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

本发明提出的陀螺仪自校准装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用电激励信号替代传统的高精度物理转台，完成陀螺仪的自校准，因此简化了陀螺仪的出厂标定校准程序，且降低了自校准成本；

2、本发明采用电激励信号进行自校准，因此校准的实施只需要常用的信号发生器即可，在陀螺仪的使用过程中，用户可实时进行陀螺仪的自校准，因此避免了陀螺仪在使用过程中，由于器件老化、环境温度变化、系统噪声等产生的器件参数变化，从而避免了陀螺仪精度的下降；

3、本发明采用的电激励信号是调频信号，相比于调幅信号，调频信号具有噪声低，频带窄的特性，又不会影响输出结果的灵敏度。

附图说明

图1是陀螺仪在采用高精度物理转台进行标定校准时的整体电路图；

图2是本发明一实施例提出的陀螺仪自校准装置的整体电路图；

图3是本发明一实施例提出的信号发生器的电路结构图；

图4是本发明另一实施例提出的陀螺仪自校准方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种陀螺仪自校准装置，包括信号发生器和信号处理电路，其中：

信号发生器，用于产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号，调制信号用于驱动陀螺仪输出具有相移分量的电流信号；

信号处理电路，用于处理陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号，得到电压值；

其中，基于调制信号中电激励信号的角速度与电压值之间存在的线性关系，陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

由于电激励信号的角速度与电压值成线性关系，通过实验得到此线性关系，在后续陀螺仪处于检测模态(即工作状态)时，根据实验得到的陀螺仪在检测模态下和电激励信号进行自校准条件下的关系，将电激励信号进行自校准条件下电激励信号的角速度与电压的线性关系转换为工作条件下外部环境的旋转角速度与电压的线性关系，从而在检测模态下，通过测量陀螺仪系统的输出电压值，就可以求出此时除电激励信号外的其他外部环境的旋转角速度。

通过实验证明，电激励信号的作用相当于通常标定校准方法中采用的高精度物理转台，其中，电激励信号的角速度即相当于高精度物理转台的旋转角速度。

在本发明的一些实施例中，上述电激励信号为调频信号。

在本发明的一些实施例中，上述信号处理电路包括：

放大电路，用于将具有相移分量的电流信号转化为电压信号，并放大转化后的电压信号；

解调电路，用于将放大后的电压信号与调制信号相乘，得到解调信号，并输出至滤波电路；

滤波电路，用于滤除解调信号中的高频信号，得到电压值。

在本发明的一些实施例中，上述放大电路包括：

跨阻放大器，用于将具有相移分量的电流信号转化为电压信号；

运算放大器，用于放大转化后的电压信号。

在本发明的一些实施例中，上述解调电路包括乘法器，用于将解调后的电压信号与调制信号相乘，输出至滤波电路。

在本发明的一些实施例中，上述滤波电路包括滤波器，用于滤除解调电路输出的信号中的高频信号，得到电压值；其中，该滤波器包括巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器或贝塞尔低通滤波器等低通滤波器。

在本发明的一些实施例中，上述调制信号分为四个支路传输，其中第一支路作为I信号直接驱动陀螺仪，第二支路通过移相器作为Q信号驱动陀螺仪；第三支路和经由移相器的第四支路连接至信号处理电路中的解调电路。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号包括：

与第一支路的调制信号相对应的I电流信号，以及与第二支路的调制信号相对应的Q电流信号；

相应的，信号处理电路包括两个支路，每一支路均包括放大电路、解调电路和滤波电路，用于分别传输I电流信号和Q电流信号；第三支路连接至传输I电流信号支路中的解调电路；经由移相器的第四支路连接至传输Q电流信号支路中的解调信号。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪为MEMS陀螺仪；MEMS陀螺仪包括二自由度微机械陀螺仪，例如为硅基微机械振动陀螺仪。

本发明还公开了一种陀螺仪自校准方法，包括：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包含驱动信号和电激励信号的调制信号，用于驱动陀螺仪；

步骤2、陀螺仪在调制信号的驱动下输出具有相移分量的电流信号；

步骤3、信号处理电路处理具有相移分量的电流信号，得到电压值；

步骤4、重复步骤1～3，得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的电压值；

根据至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的电压值，得到电激励信号的角速度与电压值的线性关系曲线，基于此线性关系，陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

在本发明的一些实施例中，提出了一种MEMS陀螺仪自校准装置及方法，其中：

MEMS陀螺仪的自校准电路包括：

信号发生器电路，用于产生调制信号，包括陀螺仪的电驱动信号coswt和电激励信号cosΩt，两路信号分别通过移相器、乘法器和加法器得到作用于MEMS陀螺仪的两路调制信号。

信号处理电路，主要包括放大电路、解调电路和滤波电路。放大电路由跨阻放大器和运算放大器实现，解调电路由乘法器实现，滤波器采用两阶巴特沃斯低通滤波器。

其中，本实施例的MEMS陀螺仪结构模型，采用的是两自由度的硅基微机械振动陀螺仪，在忽略结构误差、频率失调、外部环境变化的前提下可以得到适用于两自由度陀螺仪的动力学运动方程。

MEMS陀螺仪自校准方法具体为：

采用电激励信号代替高精度转台对陀螺仪进行自校准，在驱动信号作用下放置在高精度转台上的陀螺仪的输出信号会产生一个与高精度转台的旋转角速度相关的相位偏移量，通过对该型号偏移量的处理可以得到陀螺仪的旋转角速度。实验发现在没有高精度转台时对陀螺仪施加电激励信号，也会在陀螺仪的输出信号中产生一个相位偏移量，该偏移量与高精度转台下产生的偏移量基本相同。因此可以采用电激励信号对陀螺仪进行自校准，本实施例的电激励信号采用的调频信号，为了对陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号进行处理，先将陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号通过跨阻放大器转化为电压信号，再经过电压放大器将信号摆幅放大到2V(V为经跨阻放大器转化为的电压信号的摆幅)；由于初始信号是驱动信号和电激励信号组成的调制信号得出的，所以还需要对放大后的电压信号进行解调，解调信号在校准模式和检测模式下是不同的信号，与输入的电激励信号相关；将驱动信号和电激励信号组成的调制信号和解调信号经过模拟乘法器，解调后的信号包含直流信号和高频交流信号，高频信号被之后的二阶低通滤波器滤除，这样输出只留下直流信号，该信号与电激励信号的角速度近似成线性关系。

为了说明本发明公开的陀螺仪自校准装置及方法，完成陀螺仪自校准的可行性，以下通过一具体电路进行说明。

1、采用高精度物理转台进行标定校准

如图1所示，是MEMS陀螺仪在采用高精度物理转台进行标定校准时的整体电路图，该电路图包括用于产生驱动信号的信号发生器1、第一90°移相器2、MEMS陀螺仪3、跨阻放大器4、电压运算放大器5、第一乘法器6和低通滤波器7组成。信号发生器1产生的驱动信号作用于两自由度的陀螺仪作为驱动信号，使陀螺仪产生正弦谐振运动；第一移相器2用于使信号发生器1产生的驱动信号产生90°相移，这样两路I/Q信号作用于陀螺仪3，陀螺仪3置于旋转角速度为Ω的高精度物理转台上，此时，陀螺仪3的动力学方程为：

方程中x(t)，y(t)是陀螺仪输出的两个电流信号，该电流信号中包含有相移分量，w是正弦驱动信号的频率，Q是陀螺仪的品质因数，λ是与陀螺仪类型相关的常量，F是常量，λ的关系式为λ＝2n/(n²+1)，其中，n为陀螺仪包含的简并对的个数。解上述微分方程组得：

其中相移θ₁是一个与旋转角速度Ω相关的量：

A表示为

A＝|H[j(w+Ω)]|＝|H[j(w-Ω)]|(Ω＜＜w)； (1-4)

之后跨阻放大器4将陀螺仪输出的电流信号转化为电压信号，再通过电压运算放大器5将x(t)、y(t)的摆幅增大至2V(V为经跨阻放大器转换的电压信号的实际摆幅)，则最终输入到乘法器6时为2x(t)和2y(t)，将2x(t)、2y(t)分别与信号发生器的另两个支路传输的调制信号coswt、sinwt相乘得到解调后的信号

再通过后面的由电阻、电容和运算放大器构成的低通滤波器7，最后得到的输出结果为：

由公式(1-6)可知，在Ω*Q远小于w时，输出电压与高精度物理转台的旋转角速度近似成线性关系。

2、采用电激励信号进行自校准

图2是MEMS陀螺仪采用电激励信号进行自校准时的整体电路图，该电路包括产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号的信号发生器8、MEMS陀螺仪3、将具有相移分量的电流信号转化为电压信号的跨阻运算放大器4、用于电压放大的电压运算放大器5、用于信号解调的第一乘法器6和滤除低频信号的低通滤波器7。

其中，信号发生器8的电路结构如图3所示，信号发生器产生的调制信号包括I调制信号和Q调制信号，分别作用于陀螺仪的I/Q两个简并谐振模态。其中I调制信号由两路信号经减法器13整合得到，其中一路由驱动信号Fcos(wt)和电激励信号cos(Ω′t)经第二乘法器9相乘得到，另一路由经由第二移相器10的驱动信号Fcos(wt)和经由第三移相器11的电激励信号cos(Ω′t)通过第三乘法器12相乘得到，最终的I调制信号为Fcos(w+Ω′)t。模拟乘法器，90°移相器和加法器组成。其中Q调制信号由两路信号经加法器18整合得到，其中一路由经由第四移相器14的驱动信号Fcos(wt)和电激励信号cos(Ω′t)经第四乘法器15相乘得到；其中另一路由驱动信号Fcos(wt)和经由第五移相器16的电激励信号cos(Ω′t)经第五乘法器17相乘得到，最终的Q调制信号为Fsin(w+Ω′)t。

此时陀螺仪的动力学运动方程为

陀螺仪在电激励信号作用下质量块在X轴和Y轴上会产生偏移，质量块产生的位置移动被电容检测单元检测出来并转化为电流信号，x(t)、y(t)就是陀螺仪在两种简并谐振模态下由电容检测单元检测得到的两个电流信号，w为正弦驱动信号的频率，Q为陀螺仪的品质因数，Ω′为电激励信号的角速度，解上述微分方程组得公式(2-2)。

θ₃为X(t)、y(t)的相位偏移量，公式为：

通过对比陀螺仪在高精度转台和电激励信号作用下具有相移分量的电流信号，可以看出物理旋转和电激励信号产生的电流信号中相移基本相同，唯一不同点是物理旋转产生的电流信号中含有λ，该值是与陀螺仪的运动状态相关的常数。陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号经过由电阻和OPA657构成的跨阻放大器，将具有相移分量的电流信号转化为电压信号，然后通过由电阻和OPA656N组成的电压放大器，将信号的摆幅放大到原先的两倍，之后将电压放大器5放大后的信号与信号发生器8生成的调制信号通过第一乘法器6，得到解调后的信号，而解调后的信号有直流成分和高频交流成分，还需要通过由电阻和电容组成的低通滤波器7进行低通滤波，得到最后的输出电压公式(2-4)。

在Ω′*Q远小于w的情况下，输出电压Z与电激励信号的角速度Ω′近似成线性关系。

由于已经验证了电激励信号的角速度Ω′就代表高精度转台的旋转角速度Ω，因此可以通过不断调节电激励信号的角速度Ω′，测量不同角速度Ω′下自校准电路的输出电压值，绘制出自校准电路的输出电压值与角速度Ω′的关系，然后利用直线拟合得到输出电压值与角速度Ω′关系的标度因数和零漂。之后根据实验得到陀螺仪在工作条件下和电激励信号进行自校准条件下的关系，然后将电激励信号进行自校准条件下的标度因数和零飘转换为工作条件下的标度因数和零漂，在工作条件下，通过测量陀螺仪系统的输出电压值，再利用公式(2-5)就可以求出此时外部环境的旋转角速度。

输出电压＝输入角速度(Ω)*标度因数(SF)+零漂(Bias)； (2-5)

本发明在分析影响MEMS陀螺仪精度的基础上，结合现有MEMS陀螺仪自校准方案设计出基于频率调制电激励信号的自校准方案，使陀螺仪的校准不再需要高精度转台系统，实现陀螺仪的自校准，简化了陀螺仪校准过程，节约校准成本；同时本发明测得的标度因素准确率是原有方案的两倍，测量的结果更精确。

在本发明的一些实施例中，根据上述陀螺仪自校准装置完成陀螺仪自校准的可行性，提出一种陀螺仪自校准方法，该方法的具体流程图如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包含驱动信号和电激励信号的调制信号，用于驱动陀螺仪；

步骤2、陀螺仪在调制信号的驱动下输出具有相移分量的电流信号；

步骤3、信号处理电路处理具有相移分量的电流信号，得到电压值；

步骤4、重复步骤1～3，直至得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的电压值；

根据至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的电压值，得到电激励信号的角速度与电压值的线性关系曲线，基于此线性关系，陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

其中，步骤4中得到的包含不同角速度电激励信号的调制信号及相对应的不同的电压值的数目，可预先设定，在得到数目小于预没数目时，循环进行步骤1至3，直至得到的包含不同角速度电激励信号的调制信号及相对应的不同的电压值的数目达到预设值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陀螺仪自校准装置，包括信号发生器和信号处理电路，其中：

信号发生器，用于产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号，所述调制信号用于驱动所述陀螺仪输出具有相移分量的电流信号；

信号处理电路，用于处理所述陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号，得到电压值；

其中，基于所述调制信号中电激励信号的角速度与所述电压值之间存在的线性关系，所述陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。

2.如权利要求1所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述电激励信号为调频信号。

3.如权利要求1所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述信号处理电路包括：

放大电路，用于将所述具有相移分量的电流信号转化为电压信号，并放大转化后的所述电压信号；

解调电路，用于将放大后的所述电压信号与所述调制信号相乘，得到解调信号，并输出至滤波电路；

滤波电路，用于滤除解调信号中的高频信号，得到所述电压值。

4.如权利要求3所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述放大电路包括：

跨阻放大器，用于将所述具有相移分量的电流信号转化为电压信号；

运算放大器，用于放大转化后的所述电压信号。

5.如权利要求3所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述解调电路包括乘法器，用于将解调后的所述电压信号与所述调制信号相乘，输出至滤波电路。

6.如权利要求3所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述滤波电路包括滤波器，用于滤除解调电路输出的信号中的高频信号，得到所述电压值；所述滤波器包括巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器或贝塞尔低通滤波器。

7.如权利要求3所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述调制信号分为四个支路传输，其中第一支路作为I信号直接驱动所述陀螺仪，第二支路通过移相器作为Q信号驱动所述陀螺仪；第三支路和经由所述移相器的第四支路连接至所述信号处理电路中的解调电路。

8.如权利要求7所述的陀螺仪自校准装置，其中，所述陀螺仪输出的具有相移分量的电流信号包括：

与所述第一支路的调制信号相对应的I电流信号，以及与所述第二支路的调制信号相对应的Q电流信号；

相应的，所述信号处理电路包括两个支路，每一支路均包括所述的放大电路、解调电路和滤波电路，用于分别传输所述I电流信号和Q电流信号；所述第三支路连接至传输所述I电流信号支路中的解调电路；所述经由移相器的第四支路连接至传输所述Q电流信号支路中的解调信号。

9.如权利要求1所述的陀螺仪自校准方法，其中，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪；所述MEMS陀螺仪包括二自由度微机械陀螺仪。

10.一种陀螺仪自校准方法，包括：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包含驱动信号和电激励信号的调制信号，用于驱动所述陀螺仪；

步骤2、陀螺仪在所述调制信号的驱动下输出具有相移分量的电流信号；

步骤3、信号处理电路处理所述具有相移分量的电流信号，得到电压值；

步骤4、重复步骤1～3，得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的电压值；

根据所述至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的电压值，得到所述电激励信号的角速度与所述电压值的线性关系曲线，基于此线性关系，所述陀螺仪得到校准后的外界环境的旋转角速度。