CN109211275A - 一种陀螺仪的零偏温度补偿方法 - Google Patents

一种陀螺仪的零偏温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，将陀螺仪的科氏加速度及正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过转换，获取检测信号；对检测信号解调得到角速度信号和正交信号；利用Hilbert变换计算角速度信号和正交信号的相位差；建立驱动频率和相位差内在函数关系，获取驱动频率和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率实时获取相位差。

Description

一种陀螺仪的零偏温度补偿方法
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，特别涉及一种零偏温度补偿方法。
背景技术
随着MEMS传感器技术的发展，市场对高性能陀螺的要求越来越高，数字陀螺测控系统由于其参数设计精准以及可实现复杂算法等优点成为MEMS惯性器件领域的研究热点。在数字陀螺驱动系统中采用自激锁相闭环驱动技术不仅能够维持驱动模态的恒幅振动，还能为敏感相敏解调提供高精度的解调参考信号，因此数字陀螺驱动系统中通常都会采用数字锁相环电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决温度滞回和温度曲线非线性问题的高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法。
实现本发明目的的技术方案：
一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，检测信号读取：将陀螺仪的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号；
步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号；
步骤3、利用Hilbert变换计算角速度信号和正交信号这两个同频信号的相位差，将该相位差做为补偿源；
步骤4、进行线性拟合，建立驱动频率和相位差内在函数关系，获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率实时获取相位差；
步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得角速度输入信号幅值。
所述检测信号
其中，VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为陀螺仪的驱动频率；t为时间。
步骤2中，解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)是陀螺仪系统中的驱动信号，且是由驱动控制系统中的锁相环相位控制系统产生的一对相互正交的解调基准信号，其中ωd为陀螺仪的驱动频率；t为时间。
步骤3中，检测信号经过Hilbert变换，移相90°，变为检测移相信号，幅值大小不变。
步骤4中，利用陀螺仪的锁相环相位控制系统测得陀螺仪的驱动频率ωd，在静态情况下角速度为零，直接测量来自驱动轴的解调基准信号和检测轴的解调输入信号的相位差外界环境温度变化情况下，多次测量陀螺仪的驱动频率ωd与相位差进行线性拟合得到二者间的函数关系。
线性拟合得到的函数关系为其中，k1和k0为拟合系数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明相比于增加外部测温传感器的方案，利用驱动频率来表征敏感结构内部温度的方法可避免外部感知的温度与陀螺敏感结构内部的温度存在的延时，有效解决硅微陀螺仪在温变环境下的温度滞回问题；
(2)本发明将驱动轴的解调基准信号和检测轴输出信号之间不可避免的相位误差作为补偿源,利用该中间变量与表征温度的驱动频率呈近似线性关系获取加权系数，具有实时性且该方法易于集成。
附图说明
图1为硅微机械陀螺仪系统检测部分的零偏温度补偿流程图；
图2为零偏温度补偿方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
结合图1，本实施例以驱动频率作为温度表征量，利用来自驱动轴的解调基准信号和检测轴信号之间不可避免的相位误差作为补偿源的高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法，整个计算过程在FPGA内完成。本实施例中以驱动频率为6.4KHz、标度因数为0.01V/°/s的硅微陀螺为例，将陀螺安装在60℃到-40℃的降温环境下温箱中对其进行温度补偿，结合图2步骤如下：
步骤1、检测信号读取，由科氏效应产生的科氏加速度及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换电路及AD转换器，获取检测信号Vs，包含角速度输入信号和正交输入信号；
步骤2、检测信号解调，由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号Vs相乘，经过巴特沃斯6阶截止频率为100Hz的低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号；
步骤3、获取检测信号与解调基准信号cos(ωd t)间的相位差。
利用Hilbert变换(希尔伯特变换)计算两个同频信号的相位差的方法：
求出检测信号经过Hilbert变换移相90°变为检测移相信号，Hilbert变换是由一个反对称的128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器实现，检测信号也经过一个128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器再与检测移相信号相乘，由解调基准信号所得的解调信号x2(ωd)和y2(ωd)也分别经过一个128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器再进行如下计算，以保证各信号之间的相位差不变。反正切函数的求解由cordic算法实现。
其中x2＝cos(ωd t)和y2＝-sin(ωd t)。
步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率来实时获取相位差。其中驱动频率ωd是由以全数字锁相环作为陀螺的相位控制系统中提取出来的。进行多次温度实验并采集数据计算出线性拟合后的相位差与实际相位差接近。在拟合函数关系确定之后，以ωd为自变量，进而在温变情况下实时测量驱动频率ωd获取相位差。
步骤5、实时计算加权系数分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度信号幅值V1，其中加权系数先进行简化计算：
计算加权系数时，由于接近于0°，因此加权系数和分别近似为1和简化计算，节约硬件资源。
可以看出温度补偿前和温度补偿后的零偏输出结果，其零偏有明显减小。并且通过后期的数据处理得出零偏稳定性由62°/h变为24°/h，零偏稳定性有明显改善。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，检测信号读取：将陀螺仪的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号；
步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号；
步骤3、利用Hilbert变换计算角速度信号和正交信号这两个同频信号的相位差，将该相位差做为补偿源；
步骤4、进行线性拟合，建立驱动频率和相位差内在函数关系，获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率实时获取相位差；
步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得角速度输入信号幅值。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，
所述检测信号
其中，VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为陀螺仪的驱动频率；t为时间。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，
步骤2中，解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)是陀螺仪系统中的驱动信号，且是由驱动控制系统中的锁相环相位控制系统产生的一对相互正交的解调基准信号，其中ωd为陀螺仪的驱动频率；t为时间。
4.根据权利要求1所述的一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，
步骤3中，检测信号经过Hilbert变换，移相90°，变为检测移相信号，幅值大小不变。
5.根据权利要求1所述的一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，
步骤4中，利用陀螺仪的锁相环相位控制系统测得陀螺仪的驱动频率ωd，在静态情况下角速度为零，直接测量来自驱动轴的解调基准信号和检测轴的解调输入信号的相位差外界环境温度变化情况下，多次测量陀螺仪的驱动频率ωd与相位差进行线性拟合得到二者间的函数关系。
6.根据权利要求5所述的一种陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征是，
线性拟合得到的函数关系为其中，k1和k0为拟合系数。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110108299A (zh) * 2019-05-08 2019-08-09 南京理工大学 一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统
CN111006690A (zh) * 2019-11-18 2020-04-14 上海航天控制技术研究所 一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统
CN111578923A (zh) * 2020-05-15 2020-08-25 中国人民解放军国防科技大学 一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统
CN112556723A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 重庆两江卫星移动通信有限公司 一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统
CN112762917A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 中国电子科技集团公司第十三研究所 正交误差抑制系统及mems陀螺
CN114964195A (zh) * 2022-07-27 2022-08-30 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607546A (zh) * 2012-03-06 2012-07-25 中国人民解放军国防科学技术大学 用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置
CN102759365A (zh) * 2012-07-12 2012-10-31 中国人民解放军国防科学技术大学 用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置
CN103162680A (zh) * 2013-03-19 2013-06-19 中国人民解放军国防科学技术大学 基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升方法及装置
CN103776469A (zh) * 2014-02-26 2014-05-07 东南大学 一种基于fpga的硅微陀螺仪温控温补电路装置
CN106482747A (zh) * 2016-11-28 2017-03-08 南京理工大学 一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法
CN106918351A (zh) * 2017-03-24 2017-07-04 北方电子研究院安徽有限公司 一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607546A (zh) * 2012-03-06 2012-07-25 中国人民解放军国防科学技术大学 用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置
CN102759365A (zh) * 2012-07-12 2012-10-31 中国人民解放军国防科学技术大学 用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置
CN103162680A (zh) * 2013-03-19 2013-06-19 中国人民解放军国防科学技术大学 基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升方法及装置
CN103776469A (zh) * 2014-02-26 2014-05-07 东南大学 一种基于fpga的硅微陀螺仪温控温补电路装置
CN106482747A (zh) * 2016-11-28 2017-03-08 南京理工大学 一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法
CN106918351A (zh) * 2017-03-24 2017-07-04 北方电子研究院安徽有限公司 一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110108299A (zh) * 2019-05-08 2019-08-09 南京理工大学 一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统
CN110108299B (zh) * 2019-05-08 2022-12-06 南京理工大学 一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统
CN111006690A (zh) * 2019-11-18 2020-04-14 上海航天控制技术研究所 一种基于振动陀螺零位自校准的控制电路系统
CN111578923A (zh) * 2020-05-15 2020-08-25 中国人民解放军国防科技大学 一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统
CN111578923B (zh) * 2020-05-15 2021-10-12 中国人民解放军国防科技大学 一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统
CN112556723A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 重庆两江卫星移动通信有限公司 一种基于温度与相位补偿的相关解调优化方法及陀螺控制系统
CN112762917A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 中国电子科技集团公司第十三研究所 正交误差抑制系统及mems陀螺
CN112762917B (zh) * 2020-12-30 2022-06-10 中国电子科技集团公司第十三研究所 正交误差抑制系统及mems陀螺
CN114964195A (zh) * 2022-07-27 2022-08-30 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法
CN114964195B (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种半球谐振陀螺角速度信号温度补偿方法

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