CN111897226B - 一种mems陀螺仪的输出反馈控制方法和装置 - Google Patents

一种mems陀螺仪的输出反馈控制方法和装置 Download PDF

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CN111897226B CN202010842383.2A CN202010842383A CN111897226B CN 111897226 B CN111897226 B CN 111897226B CN 202010842383 A CN202010842383 A CN 202010842383A CN 111897226 B CN111897226 B CN 111897226B
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Abstract

本申请公开了一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法和装置，以克服在MEMS陀螺仪驱动控制过程中，现有控制器因速度信号不可测而不适用于工程应用的问题。该方法包括：构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；构建输出反馈控制器；采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型。

Description

一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法和装置
技术领域
本发明涉及智能化仪器仪表领域，更具体地说，涉及一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法和装置。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺仪广泛应用于机器人、消费电子、可穿戴设备等角速度测量领域。MEMS陀螺仪的驱动控制性能直接影响到角速率测量精度。但是，由于MEMS陀螺仪检测质量块的速度信号不可测，所以在MEMS陀螺仪驱动控制过程中，凡是使用到速度信号的控制器均不可在工程中应用，例如常规PID控制器在工程应用中不得不退化成PI控制器，这严重限制了其驱动控制性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法和装置，以克服在MEMS陀螺仪驱动控制过程中，现有控制器因速度信号不可测而不适用于工程应用的问题。
一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，包括：
构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；
根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；
构建输出反馈控制器；
采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型。
可选的，所述构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型，包括：
考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型为：
Figure BDA0002641903220000021
式(1)中，x和y分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴和检测轴的位移，
Figure BDA0002641903220000022
为x的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000023
为x的二阶导数，
Figure BDA0002641903220000024
为y的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000025
为y的二阶导数，cxx和cyy为阻尼系数，kxx和kyy为刚度系数，cxy和cyx为阻尼耦合系数，kxy和kyx为刚度耦合系数，Ω为陀螺输入角速度，kd1＞0和kd2＞0为扰动参数，d1和d2分别为驱动轴和检测轴上的外部干扰，u1和u2分别为驱动轴和检测轴上的控制输入；
定义
Figure BDA0002641903220000026
Figure BDA0002641903220000027
则式(1)变形为：
Figure BDA0002641903220000028
式(2)中，
Figure BDA0002641903220000029
为θ的一阶导数，
Figure BDA00026419032200000210
为θ的二阶导数。
可选的，所述根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器，包括：
定义z1＝θ，
Figure BDA00026419032200000211
则式(2)的严格反馈形式为
Figure BDA00026419032200000212
式(3)中，
Figure BDA00026419032200000213
是zi的一阶导数；
为估计不可测速度信号z2，设计滑模观测器为
Figure BDA00026419032200000214
其中，
Figure BDA0002641903220000031
是zi的估计，
Figure BDA0002641903220000032
是
Figure BDA0002641903220000033
的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000034
αi＞0和βi＞0是待设计的参数；
为估计外部干扰D，设计扰动观测器为
Figure BDA0002641903220000035
其中，
Figure BDA0002641903220000036
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；ψ表示中间变量，
Figure BDA0002641903220000037
是ψ的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000038
是D的估计。
可选的，所述构建输出反馈控制器，包括：
定义跟踪误差为
e＝θ-θd (6)
其中，
Figure BDA0002641903220000039
为参考信号；
定义滑模面为
Figure BDA00026419032200000310
其中，
Figure BDA00026419032200000311
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条；
Figure BDA00026419032200000312
是e的一阶导数；使用滑模观测器估计值，滑模面为
Figure BDA00026419032200000313
其中，
Figure BDA00026419032200000314
Figure BDA00026419032200000315
是θd的一阶导数，
Figure BDA00026419032200000316
是s的估计；
设计输出反馈控制器为
Figure BDA00026419032200000317
其中，
Figure BDA00026419032200000318
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；
Figure BDA00026419032200000319
是θd的二阶导数。
可选的，所述采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型，包括：
采用式(4)示出的滑模观测器、式(5)示出的扰动观测器和式(9)示出的控制器驱动式(1)示出的MEMS陀螺仪动力学模型。
一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中包括：
MEMS陀螺动力学模型构建单元，用于构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；
滑模观测器和扰动观测器构建单元，用于根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；
控制器构建单元，用于构建输出反馈控制器；
以及驱动单元，用于采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型；
上述MEMS陀螺动力学模型构建单元、滑模观测器和扰动观测器构建单元、控制器构建单元和驱动单元均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
从上述的技术方案可以看出，本发明基于MEMS陀螺仪动力学设计滑模观测器，实现对未知速度信号的有效估计，从而克服了在MEMS陀螺仪驱动控制过程中，现有控制器因速度信号不可测而导致现有控制器不适用于工程应用的问题。同时，由于滑模观测器不可观测外部干扰，本发明还设计了独立的扰动观测器实时估计外部干扰，并通过反馈补偿提高MEMS陀螺仪驱动控制精度，改善了MEMS陀螺仪驱动控制性能。
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为本发明实施例公开的一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法流程图；
图2为本发明实施例公开的一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制装置结构示意图。
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。
参见图1，本发明实施例公开了一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，包括：
步骤S01：构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型。其具体过程如下：
考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型为：
Figure BDA0002641903220000051
式(1)中，x和y分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴和检测轴的位移，
Figure BDA0002641903220000052
为x的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000053
为x的二阶导数，
Figure BDA0002641903220000054
为y的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000055
为y的二阶导数，cxx和cyy为阻尼系数，kxx和kyy为刚度系数，cxy和cyx为阻尼耦合系数，kxy和kyx为刚度耦合系数，Ω为陀螺输入角速度，kd1＞0和kd2＞0为扰动参数，d1和d2分别为驱动轴和检测轴上的外部干扰，u1和u2分别为驱动轴和检测轴上的控制输入。
定义
Figure BDA0002641903220000061
Figure BDA0002641903220000062
则式(1)变形为：
Figure BDA0002641903220000063
式(2)中，
Figure BDA0002641903220000064
为θ的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000065
为θ的二阶导数。
例如，设计者可选取参数
Figure BDA0002641903220000066
Figure BDA0002641903220000067
步骤S02：根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器。其具体过程如下：
定义z1＝θ，
Figure BDA0002641903220000068
则式(2)的严格反馈形式为
Figure BDA0002641903220000069
式(3)中，
Figure BDA00026419032200000610
是zi的一阶导数。
为估计不可测速度信号z2，设计滑模观测器为
Figure BDA00026419032200000611
其中，
Figure BDA00026419032200000612
是zi的估计，
Figure BDA00026419032200000613
是
Figure BDA00026419032200000614
的一阶导数，
Figure BDA00026419032200000615
αi＞0和βi＞0是待设计的参数。例如，设计者可选取αi＝60，βi＝476。
为估计外部干扰D，设计扰动观测器为
Figure BDA00026419032200000616
其中，
Figure BDA0002641903220000071
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件。例如，设计者可选取
Figure BDA0002641903220000072
ψ表示中间变量，
Figure BDA0002641903220000073
是ψ的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000074
是D的估计。
步骤S03：构建输出反馈控制器。其具体过程如下：
定义跟踪误差为
e＝θ-θd (6)
其中，
Figure BDA0002641903220000075
为参考信号。
例如，设计者可选取θd＝[6.2sin(4.71t+π/3)5sin(5.11t-π/6)]T。
定义滑模面为
Figure BDA0002641903220000076
其中，
Figure BDA00026419032200000717
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件。例如，设计者可选取
Figure BDA0002641903220000077
Figure BDA0002641903220000078
是e的一阶导数。
使用滑模观测器估计值，滑模面为
Figure BDA0002641903220000079
其中，
Figure BDA00026419032200000710
Figure BDA00026419032200000711
是θd的一阶导数，
Figure BDA00026419032200000712
是s的估计。
设计输出反馈控制器为
Figure BDA00026419032200000713
其中，
Figure BDA00026419032200000714
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件。例如，设计者可选取
Figure BDA00026419032200000715
Figure BDA00026419032200000716
是θd的二阶导数。
步骤S04：采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型。其具体过程如下：
采用式(4)示出的滑模观测器、式(5)示出的扰动观测器和式(9)示出的控制器驱动式(1)示出的MEMS陀螺仪动力学模型，进行不可测速度信号的估计，实现适用于工程应用的MEMS陀螺高精度驱动控制。
综上所述，本发明实施例基于MEMS陀螺仪动力学设计滑模观测器，实现对未知速度信号的有效估计，从而克服了在MEMS陀螺仪驱动控制过程中，现有控制器因速度信号不可测而导致现有控制器不适用于工程应用的问题。同时，由于滑模观测器不可观测外部干扰，本发明实施例还设计了独立的扰动观测器实时估计外部干扰，并通过反馈补偿提高MEMS陀螺仪驱动控制精度，改善了MEMS陀螺仪驱动控制性能。
与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制装置，如图2所示，所述MEMS陀螺仪的输出反馈控制装置包括处理器和存储器，所述存储器中包括：
MEMS陀螺动力学模型构建单元100，用于构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；
滑模观测器和扰动观测器构建单元200，用于根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；
控制器构建单元300，用于构建输出反馈控制器；
以及驱动单元400，用于采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺仪动力学模型。
上述MEMS陀螺动力学模型构建单元100、滑模观测器和扰动观测器构建单元200、控制器构建单元300和驱动单元400均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来达到提高MEMS陀螺仪驱动控制系统的抗干扰能力和环境适应能力的目的。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
可选的，所述MEMS陀螺动力学模型构建单元100，包括：
考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型为：
Figure BDA0002641903220000091
式(1)中，x和y分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴和检测轴的位移，
Figure BDA0002641903220000092
为x的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000093
为x的二阶导数，
Figure BDA0002641903220000094
为y的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000095
为y的二阶导数，cxx和cyy为阻尼系数，kxx和kyy为刚度系数，cxy和cyx为阻尼耦合系数，kxy和kyx为刚度耦合系数，Ω为陀螺输入角速度，kd1＞0和kd2＞0为扰动参数，d1和d2分别为驱动轴和检测轴上的外部干扰，u1和u2分别为驱动轴和检测轴上的控制输入；
定义
Figure BDA0002641903220000096
Figure BDA0002641903220000097
则式(1)变形为：
Figure BDA0002641903220000098
式(2)中，
Figure BDA0002641903220000099
为θ的一阶导数，
Figure BDA00026419032200000910
为θ的二阶导数。
例如，设计者可选取参数
Figure BDA00026419032200000911
Figure BDA00026419032200000912
可选的，所述滑模观测器和扰动观测器构建单元200，包括：
定义z1＝θ，
Figure BDA0002641903220000101
则式(2)的严格反馈形式为
Figure BDA0002641903220000102
式(3)中，
Figure BDA0002641903220000103
是zi的一阶导数；
为估计不可测速度信号z2，设计滑模观测器为
Figure BDA0002641903220000104
其中，
Figure BDA0002641903220000105
是zi的估计，
Figure BDA0002641903220000106
是
Figure BDA0002641903220000107
的一阶导数，
Figure BDA0002641903220000108
αi＞0和βi＞0是待设计的参数；
为估计外部干扰D，设计扰动观测器为
Figure BDA0002641903220000109
其中，
Figure BDA00026419032200001010
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；ψ表示中间变量，
Figure BDA00026419032200001011
是ψ的一阶导数，
Figure BDA00026419032200001012
是D的估计。
可选的，所述控制器构建单元300，包括：
定义跟踪误差为
e＝θ-θd (6)
其中，
Figure BDA00026419032200001013
为参考信号；
定义滑模面为
Figure BDA00026419032200001014
其中，
Figure BDA00026419032200001015
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条；
Figure BDA00026419032200001016
是e的一阶导数；
使用滑模观测器估计值，滑模面为
Figure BDA00026419032200001017
其中，
Figure BDA00026419032200001018
Figure BDA00026419032200001019
是θd的一阶导数，
Figure BDA00026419032200001020
是s的估计；
设计输出反馈控制器为
Figure BDA0002641903220000111
其中，
Figure BDA0002641903220000112
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；
Figure BDA0002641903220000113
是θd的二阶导数。
可选的，所述驱动单元400，包括：采用式(4)示出的滑模观测器、式(5)示出的扰动观测器和式(9)示出的控制器驱动式(1)示出的MEMS陀螺仪动力学模型。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质具体可以为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。本发明未详细说明部分属于领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，其特征在于，包括：
构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；
根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；
构建输出反馈控制器；
采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺动力学模型；
其中，所述构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型，包括：
考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型为：
Figure FDA0003840981220000011
式(1)中，x和y分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴和检测轴的位移，
Figure FDA0003840981220000012
为x的一阶导数，
Figure FDA0003840981220000013
为x的二阶导数，
Figure FDA0003840981220000014
为y的二 阶导数，
Figure FDA0003840981220000015
为y的一 阶导数，cxx和cyy为阻尼系数，kxx和kyy为刚度系数，cxy和cyx为阻尼耦合系数，kxy和kyx为刚度耦合系数，Ω为陀螺输入角速度，kd1＞0和kd2＞0为扰动参数，d1和d2分别为驱动轴和检测轴上的外部干扰，u1和u2分别为驱动轴和检测轴上的控制输入；
定义
Figure FDA0003840981220000016
Figure FDA0003840981220000017
和
Figure FDA0003840981220000018
则式(1)变形为：
Figure FDA0003840981220000019
式(2)中，
Figure FDA00038409812200000110
为θ的一阶导数，
Figure FDA00038409812200000111
为θ的二阶导数。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，其特征在于，所述根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器，包括：
定义z1＝θ，
Figure FDA0003840981220000021
则式(2)的严格反馈形式为
Figure FDA0003840981220000022
式(3)中，
Figure FDA0003840981220000023
是zi的一阶导数；
为估计不可测速度信号z2，设计滑模观测器为
Figure FDA0003840981220000024
其中，
Figure FDA0003840981220000025
是zi的估计，
Figure FDA0003840981220000026
是
Figure FDA0003840981220000027
的一阶导数，
Figure FDA0003840981220000028
αi＞0和βi＞0是待设计的参数；
为估计外部干扰D，设计扰动观测器为
Figure FDA0003840981220000029
其中，
Figure FDA00038409812200000210
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；ψ表示中间变量，
Figure FDA00038409812200000211
是ψ的一阶导数，
Figure FDA00038409812200000212
是D的估计。
3.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，其特征在于，所述构建输出反馈控制器，包括：
定义跟踪误差为
e＝θ-θd (6)
其中，
Figure FDA00038409812200000213
为参考信号；
定义滑模面为
Figure FDA00038409812200000214
其中，
Figure FDA0003840981220000031
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条；
Figure FDA0003840981220000032
是e的一阶导数；
使用滑模观测器估计值，滑模面为
Figure FDA0003840981220000033
其中，
Figure FDA0003840981220000034
Figure FDA0003840981220000035
是θd的一阶导数，
Figure FDA0003840981220000036
是s的估计；
设计输出反馈控制器为
Figure FDA0003840981220000037
其中，
Figure FDA0003840981220000038
为待设计参数矩阵，满足Hurwitz条件；
Figure FDA0003840981220000039
是θd的二阶导数。
4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪的输出反馈控制方法，其特征在于，所述采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺动力学模型，包括：
采用式(4)示出的滑模观测器、式(5)示出的扰动观测器和式(9)示出的控制器驱动式(1)示出的MEMS陀螺动力学模型。
5.一种MEMS陀螺仪的输出反馈控制装置，包括处理器和计算机存储器，其特征在于，所述计算机存储器中包括：
MEMS陀螺动力学模型构建单元，用于构建考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型；
滑模观测器和扰动观测器构建单元，用于根据所述MEMS陀螺动力学模型构建用于估计不可测速度信号的滑模观测器和用于估计外部干扰的扰动观测器；
控制器构建单元，用于构建输出反馈控制器；
以及驱动单元，用于采用所述滑模观测器、所述扰动观测器和所述输出反馈控制器来驱动所述MEMS陀螺动力学模型；
其中，所述MEMS陀螺动力学模型构建单元，包括：
考虑外部干扰的MEMS陀螺动力学模型为：
Figure FDA0003840981220000041
式(1)中，x和y分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴和检测轴的位移，
Figure FDA0003840981220000042
为x的一阶导数，
Figure FDA0003840981220000043
为x的二阶导数，
Figure FDA0003840981220000044
为y的二 阶导数，
Figure FDA0003840981220000045
为y的一 阶导数，cxx和cyy为阻尼系数，kxx和kyy为刚度系数，cxy和cyx为阻尼耦合系数，kxy和kyx为刚度耦合系数，Ω为陀螺输入角速度，kd1＞0和kd2＞0为扰动参数，d1和d2分别为驱动轴和检测轴上的外部干扰，u1和u2分别为驱动轴和检测轴上的控制输入；
定义
Figure FDA0003840981220000046
Figure FDA0003840981220000047
和
Figure FDA0003840981220000048
则式(1)变形为：
Figure FDA0003840981220000049
式(2)中，
Figure FDA00038409812200000410
为θ的一阶导数，
Figure FDA00038409812200000411
为θ的二阶导数；
其中，所述MEMS陀螺动力学模型构建单元、所述滑模观测器和扰动观测器构建单元、所述控制器构建单元以及所述驱动单元均作为程序单元存储在计算机存储器中，由处理器执行存储在计算机存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
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