CN109813927B - 一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，包括陀螺模块和陀螺控制系统；陀螺模块包括多个陀螺，陀螺控制系统按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。本发明采用在线实时校准零偏的方法尽可能地降低了陀螺仪零偏的漂移，提高陀螺系统的性能。与传统标定补偿的方法相比，不受陀螺零偏重复性的限制。本发明采用各个陀螺轮流进行模态反转的方式实现了三轴角速度的测量，相比于双陀螺采用模态反转实现单轴角速度测量的技术，更为高效、经济。

Description

一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪领域，特别是涉及微机电陀螺仪三轴角速度测量系统。

背景技术

微机电陀螺仪是利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术加工而成的角速度传测量传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低等一系列优点。目前广泛应用于很多领域，如汽车安全、工业控制、消费电子等。其最初诞生于上世纪80年代末，近年来随着制造工艺的发展和相关控制技术研究的深入，微机电陀螺仪的精度得到了快速提升。微机电陀螺仪零偏的漂移是其性能的主要限制因素之一。

三轴角速度的测量则面临与单轴测量的相同的零偏漂移问题。而为了改善微机电陀螺仪的零偏漂移，常用的方法是对零偏进行标定补偿。但该方法的缺点是依赖于陀螺仪零偏漂移的重复性。如果陀螺仪每次上电后的零偏漂移不完全重复，则无法利用标定的方法从根本上消除漂移。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种不受陀螺仪零偏漂移重复性的限制、能够有效降低零偏漂移的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，包括陀螺模块和陀螺控制系统；陀螺模块包括多个陀螺，陀螺控制系统按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。

进一步，所述陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压转换为沿X轴向的静电力，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移，X轴位移通过X运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压转换为Y轴向的静电力，使全对称谐振子沿Y轴产生位移，Y轴位移通过Y运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统的输入信号。

进一步，陀螺控制系统包括模态反转时序控制器和多个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器；驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路；模态反转时序控制器以一定的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号，使得各个陀螺轮流进行模态反转：当模态反转控制信号为高电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路；当模态反转控制信号为低电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，X轴向接入力反馈闭环回路。

进一步，所述陀螺控制系统包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。

进一步，所述陀螺有四个。

进一步，所有四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。

有益效果：本发明公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

(1)本发明采用在线实时校准零偏的方法尽可能地降低了陀螺仪零偏的漂移，提高陀螺系统的性能。与传统标定补偿的方法相比，不受陀螺零偏重复性的限制。

(2)本发明采用各个陀螺轮流进行模态反转的方式实现了三轴角速度的测量，相比于双陀螺采用模态反转实现单轴角速度测量的技术，更为高效、经济。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中测量系统的整体示意图；

图2为本发明具体实施方式中第一陀螺内部的示意图；

图3为本发明具体实施方式中陀螺模块与陀螺控制系统的示意图；

图4为本发明具体实施方式中模态反转控制时序图；

图5为本发明具体实施方式中第一陀螺的驱动与检测闭环控制框图；

图6为本发明具体实施方式中四个陀螺敏感轴的装配示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，如图1所示，包括陀螺模块1、陀螺控制系统2和装配结构3。陀螺模块1包括四个陀螺，分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺和第四陀螺。四个陀螺的内部结构相同，下面以第一陀螺的内部结构进行介绍。如图2所示，第一陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压V_xa转换为沿X轴向的静电力f_xa，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移x_a，X轴位移x_a通过X运动检测机构转换为电压信号v_xa，电压信号v_xa作为陀螺控制系统2的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压V_ya转换为Y轴向的静电力f_ya，使全对称谐振子沿Y轴产生位移y_a，Y轴位移y_a通过Y运动检测机构转换为电压信号v_ya，电压信号v_ya作为陀螺控制系统2的输入信号。可见，陀螺控制系统2共有8个输入电压信号，分别是陀螺模块1的8个输出电压信号，即v_xa、v_ya、v_xb、v_yb、v_xc、v_yc、v_xd和v_yd。陀螺控制系统2的输出信号包括8个控制电压信号和包含三轴角速度测量信号的系统输出，其中，8个控制电压信号分别为V_xa、V_ya、V_xb、V_yb、V_xc、V_yc、V_xd和V_yd，8个控制电压信号作为陀螺模块1的输入电压信号，形成闭环控制。

如图3所示，陀螺控制系统2按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。具体的，陀螺控制系统2包括模态反转时序控制器和四个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器。模态反转时序控制器以图4所示的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号N_a、N_b、N_c和N_d，使得各个陀螺轮流进行模态反转。图4中M1—M8分别为8个测量时间段，控制信号N_a、N_b、N_c和N_d在对应时间段内交替变换高、低电平，实现对各路选通器的控制。下面以第一输入选通器、第一驱动检测闭环控制模块和第一输出选通器为例进行介绍。

当模态反转控制信号N_a为高电平时，第一输入选通器选择电压信号v_xa作为v_dpa、电压信号v_ya作为v_fpa，第一输出选通器选择电压信号v_da作为V_xa、电压信号v_fa作为V_ya；其中v_dpa和v_fpa是第一驱动检测闭环控制模块的输入信号，v_da和v_fa是第一驱动检测闭环控制模块的输出信号。具体地，如图5所示，第一驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路。模态反转时序控制器控制第一输入选通器和第一输出选通器将第一陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路。驱动闭环回路利用输入信号v_dpa判断第一陀螺驱动模态运动的幅度和相位，并输出信号v_da；力反馈闭环回路利用输入信号v_fpa判断第一陀螺检测模态运动的幅度，并输出信号v_fa；由于信号V_ya选通为信号v_fa，因此第一陀螺的角速度测量值

可表示为：

式(1)中Ω_A为沿第一陀螺敏感轴的输入角速度大小，B_A为第一陀螺的零偏。

当模态反转控制信号N_a为低电平时，第一选通器选择电压信号v_ya作为v_dpa、电压信号v_xa作为v_fpa，第二选通器选择电压信号v_fa作为V_xa、电压信号v_da作为V_ya。此时，在第一选通器和第二选通器的作用下，第一陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，第一陀螺的X轴向接入力反馈闭环回路；此时根据式(2)可计算得第一陀螺的角速度测量值

为：

对比式(1)和式(2)可得，在模态反转前后，即控制信号N_a分别为高、低电平时，第一陀螺零偏的幅值不变，符号相反。

陀螺控制系统2还包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。

四个陀螺依据装配结构3进行组装，如图6所示，四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。图6中，OA表示第一陀螺敏感轴的指向，OA在XY平面内的投影OA’落在X轴上；OB表示第二陀螺敏感轴的指向，OB在XY平面内的投影OB’落在Y轴上；OC表示第三陀螺敏感轴的指向，OC在XY平面内的投影OC’落在X轴上；OD表示第四陀螺敏感轴的指向，OD在XY平面内的投影OD’落在Y轴上。

结合图4的控制时序以及图6的陀螺敏感轴装配示意图可以得到在M1—M4的时间段内：

式(3)中，

分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺在第i时间段内的角速度测量值；Ω(i)＝[Ω_X(i) Ω_Y(i) Ω_Z(i)](i＝1，2，3，4)，Ω_X(i)、Ω_Y(i)、Ω_Z(i)分别为沿X、Y、Z轴向的输入角速度；B＝[B_A B_B B_C B_D]，B_A、B_B、B_C、B_D分别是第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺的零偏；其中，I是四阶单位矩阵；另有：

由于陀螺的零偏为缓变量，因此可认为其M1—M4内恒定不变。零偏解算模块首先依据模态反转时序控制器给出的控制信号N_a、N_b、N_c、N_d，将四个驱动检测闭环控制模块在各时间段内输出的信号v_fa、v_fb、v_fc和v_fd转换为各陀螺的角速度测量值

然后利用式(3)即可解算出各陀螺在M1—M4时间段内的零偏：

在M4时间段结束时，零偏解算模块5将由式(4)计算得到的零偏B_A、B_B、B_C、B_D传递给零偏校准模块；而在下半周期(M5—M8)内，零偏校准模块则依据当前实时的v_fa、v_fb、v_fc和v_fd信号计算出实时的角速度测量值

再利用上半周期的零偏B_A、B_B、B_C、B_D校准X、Y、Z三轴的角速度值，给出系统的输出：

式(5)中，各零偏值前的正负号由该陀螺的反转状态决定：当其模态反转控制信号N_a、N_b、N_c或N_d为高电平时，取负号；反之取正号。

与此同时，零偏计算模块在M5—M8时间段内继续解算各陀螺的零偏，用于零偏校准模块在下一周期内M1—M4时间段的零偏校准。

Claims (5)

1.一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：包括陀螺模块(1)和陀螺控制系统(2)；陀螺模块(1)包括多个陀螺，陀螺控制系统(2)按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值，所述陀螺有四个；

其中，在控制时序的M1—M4的时间段内：

公式(3)中，

分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺在第i时间段内的角速度测量值；Ω(i)＝[Ω_X(i) Ω_Y(i) Ω_Z(i)]，Ω_X(i)、Ω_Y(i)、Ω_Z(i)分别为沿X轴、Y轴、Z轴向的输入角速度；B＝[B_AB_B B_C B_D]，B_A、B_B、B_C、B_D分别是第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺的零偏，其中，i＝1,2,3,4；

I是四阶单位矩阵；另有：

由于陀螺的零偏为缓变量，设定M1—M4内恒定不变，零偏解算模块首先依据模态反转时序控制器给出的控制信号N_a、N_b、N_c、N_d，将四个驱动检测闭环控制模块在各时间段内输出的信号v_fa、v_fb、v_fc和v_fd转换为各陀螺的角速度测量值

然后利用式(3)即可解算出各陀螺在M1—M4时间段内的零偏：

在M4时间段结束时，零偏解算模块将由公式(4)计算得到的零偏B_A、B_B、B_C、B_D传递给零偏校准模块；而在下半周期M5—M8内，零偏校准模块则依据当前实时的v_fa、v_fb、v_fc和v_fd信号计算出实时的角速度测量值

再利用上半周期的零偏B_A、B_B、B_C、B_D校准X轴、Y轴、Z轴三轴的角速度值，给出系统的输出：

公式(5)中，各零偏值前的正负号由该陀螺的反转状态决定：当其模态反转控制信号N_a、N_b、N_c或N_d为高电平时，取负号，反之取正号；

与此同时，零偏计算模块在M5—M8时间段内继续解算各陀螺的零偏，用于零偏校准模块在下一周期内M1—M4时间段的零偏校准。

2.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压转换为沿X轴向的静电力，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移，X轴位移通过X运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统(2)的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压转换为Y轴向的静电力，使全对称谐振子沿Y轴产生位移，Y轴位移通过Y运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统(2)的输入信号。

3.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺控制系统(2)包括模态反转时序控制器和多个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器；驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路；模态反转时序控制器以一定的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号，使得各个陀螺轮流进行模态反转：当模态反转控制信号为高电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路；当模态反转控制信号为低电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，X轴向接入力反馈闭环回路。

4.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺控制系统(2)包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。

5.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所有四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。

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