CN112629517A - 一种双路正交移相解调滤波的mems陀螺干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法，属于MEMS陀螺仪及抗干扰技术领域。所述方法，包括：位移传感信号通过放大器放大，分别乘以I路和Q路解调信号再进行低通滤波；判断Q路低通滤波后的信号中是否含有交流分量，若不包含则输出I路低通滤波后的信号为角速度信号，否则报警提示并对Q路低通滤波后的信号进行希尔伯特变换；将I路低通滤波后信号和Q路希尔伯特变换后信号分别相加和相减，截取相加和相减后信号中时间轴相同的一段信号，计算这两段信号的能量大小，选择能量较小的那一段信号为角速度信号。所述方法能滤除作用在传感方向上频率不等于驱动频率的位移干扰信号，简化了陀螺仪的结构和体积，也降低了制造成本。

Description

一种双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法

技术领域

本发明具体涉及一种双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法，属于MEMS陀螺仪及抗干扰技术领域。

背景技术

用于测量角速度和角加速度的MEMS陀螺仪因其体积小、质量轻、功耗小、成本低、易于集成等优势，在近年来得到了迅速的发展，被广泛应用于航空航天、汽车工业、智能电子设备等领域。但是，MEMS陀螺仪采用的是弹簧-质量块-阻尼结构，易受谐振频率附近的声波及振动干扰，导致陀螺仪输出错误的角速度信号。而调用陀螺仪数据的控制系统一般不对传感数据的准确性进行校验，这就会使得搭载了MEMS陀螺仪的控制系统容易被声波及振动干扰，从而导致设备失控甚至损坏。由于陀螺仪主要工作在声波频段，更容易被声波干扰，因此需要针对声波干扰采取相应的防护措施。

最简单的防护方法是提高MEMS陀螺仪的谐振频率，使其处于声波频率范围以外。这种方案确实能使MEMS陀螺仪不受声波干扰，但又会使陀螺仪容易受其它频段的干扰信号的影响，这种方法无法从根源上对MEMS陀螺仪进行防护。

现有的声学防护方法主要包括物理隔声和优化传感器结构两个方面。物理隔声手段是指为MEMS陀螺仪涂敷吸声材料。这种方法利用吸声材料设计和制作外壳，再用外壳包裹住陀螺仪，可以达到良好的降噪效果。但是，吸声材料通常仅对特定频段的声波有效，需要针对陀螺仪的谐振频率进行制备和设计。而且，涂敷吸声材料还会增大整个传感器的体积，也会增加制造成本。优化传感器结构是指在MEMS陀螺仪中使用双质量块来进行测量。这种方法采用两个完全相同的质量块，陀螺仪工作时在两个质量块上施加同频反相的简谐驱动电压，使两个质量块进行幅度相同、相位相反的振动，将两个质量块产生的信号进行差分，理论上就可以消除声波干扰信号。但在实际使用中，这种结构的陀螺仪仍然容易受到声波干扰，这说明陀螺仪内部的声场分布情况较为复杂，作用在两个质量块上的声波干扰信号并不完全共模。

虽然，目前使用的MEMS陀螺仪的声学防护方法都能在一定程度上起到保护效果，但这些方法都有较大的局限性。因此，本发明提出了一种双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有MEMS陀螺仪声学防护方法中防护效果无法覆盖整个声波频段，仅对共模噪声的防护效果较理想、对非共模干扰的防护效果较差的技术缺陷，提出了一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，该方法依托的位移传感信号，通过放大器后分为I、Q两路信号，相比于单路解调滤波方法，增加Q路解调移相线路，即在MEMS陀螺仪原有的单路解调滤波方法基础上增设Q路解调滤波，能滤除传感方向上频率与驱动频率不同的位移干扰信号。

所述双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法，包括如下步骤：

步骤1、陀螺仪的位移传感信号通过放大器放大，得到放大后的位移传感信号；

步骤2、将放大后的位移传感信号乘以I路解调信号，再经过低通滤波器后，得到I路低通滤波后的信号；

其中，I路解调信号，记为：cos(ω_dt+φ_x+φ_y)；

ω_d表示解调频率，φ_x表示驱动方向的相频特性，φ_y表示传感方向的相频特性；

步骤3、将放大后的位移传感信号乘以Q路解调信号，再经过低通滤波器后，得到Q路低通滤波后的信号；

其中，Q路解调信号，记为：sin(ω_dt+φ_x+φ_y)；该Q路解调信号的解调频率ω_d与I路解调信号的解调频率ω_d相同，相位与I路解调信号的相位相差90°；

步骤4、判断Q路低通滤波后的信号中是否含有交流分量，若不包含则输出I路低通滤波后的信号作为完整角速度信号，否则报警提示，并跳至步骤5；

其中，若不包含交流分量，则说明陀螺仪未受到声波干扰；若包含交流分量，则表明陀螺仪受到了声波干扰；

步骤5、对Q路低通滤波后的信号进行希尔伯特变换，得到Q路希尔伯特变换后的信号；

步骤6、将I路低通滤波后的信号和Q路希尔伯特变换后的信号分别相加和相减，得到相加后信号和相减后信号；

步骤7、分别截取相加后信号和相减后信号中时间轴相同的一段信号，计算这两段信号的能量大小；

其中，一段信号占相加后信号和相减后信号的比例范围为10％-90％；

步骤8、选择能量较小的那一段信号对应的信号为所需的完整角速度信号；至此，经过步骤1到步骤8，完成了双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法。

有益效果

本发明所述的一种双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法，与原有的单路解调方法相比，具有如下有益效果：

1.所述方法能在得到完整的角速度信息的同时，滤除作用在传感方向上频率不等于驱动频率的位移干扰信号，且对整个声波频段的声波干扰信号起到防护效果；

2.所述方法不需要在陀螺仪内额外增加质量块或在陀螺仪外部加装防护外壳，简化了陀螺仪的结构，缩小了陀螺仪的体积，同时也降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法的流程图；

图2为待测角速度为0°/s时，无声波环境中单路(a)与双路(b)滤波方法输出信号的仿真结果；

图3为待测角速度为0°/s时，频率为5592Hz的声波环境中单路(a)与双路(b)滤波方法输出信号的仿真结果；

图4为待测角速度为50°/s时，频率为5592Hz的声波环境中单路(a)与双路(b)滤波方法输出信号的仿真结果；

图5为待测角速度为0°/s时，频率为5598Hz的声波环境中单路(a)与双路(b)滤波方法输出信号的仿真结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制方法进行详细说明，并参照附图说明本发明所述方法的具体实施。

实施例1

当存在声波干扰时，声波的作用等同于力的作用。MEMS陀螺仪的运动可用动力学方程来描述：

其中，x为驱动方向的位移，表征MEMS陀螺仪的驱动模态，y为传感方向的位移，表征检测模态。

和

分别表示驱动、传感方向的速度和加速度。m_x、m_y分别为驱动和传感方向上的质量，D_xx、D_yy为阻尼系数，k_xx、k_yy为弹性系数。D_xy、D_yx为非比例阻尼引入的参数，k_xy、k_yx为非等弹性引入的参数，表征了驱动和传感两个方向上运动的相互影响。Ω(t)为角速度，ω_n为声波频率，F_X、F_Y分别为驱动和传感方向上的外力。

实际上，驱动方向与传感方向之间的耦合系数非常小。为了分析声压作用下陀螺仪的位移信号，方便计算过程，我们对公式(1)进行合理简化:传感方向不存在外力，仅存在声干扰，即F_Y＝0；传感方向上的位移非常小。因此，可以忽略传感方向耦合到驱动方向的影响，即去除上式(1)中D_xy和k_xy的影响。但由于制造工艺的限制，从驱动方向到传感方向的运动耦合影响较大，不容忽视。最后，通过求解简化后的动力学方程，可得无声波环境中的传感位移信号y(t)和声波带来的位移干扰信号N_y(t)的解析式

其中，ω_d为驱动频率，A_x、A_y分别表征驱动方向和传感方向的幅频特性，φ_x、φ_y分别表征驱动方向和传感方向的相频特性，A_Nx、A_Ny分别表征驱动方向和传感方向位移干扰信号的幅频特性，φ_Nx、φ_Ny分别表征驱动方向和传感方向上声波的相位，φ_Nxx表征驱动方向上位移干扰信号的相频特性，φ_Nyy、φ_Nxy表征传感方向上位移干扰信号的相频特性。

下面进行本发明所述的双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制过程，依托系统及流程分别如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、陀螺仪的位移传感信号通过放大器放大，采集到放大后位移传感信号。

步骤2、将采集到的放大后位移传感信号乘以I路解调信号cos(ω_dt+φ_x+φ_y)，再经过低通滤波器后，得到I路低通滤波后的信号V_I。

根据式(2)、(3)和图1所示的流程，可以推导出：

无声波干扰时，

有声波干扰时，

步骤3、将采集到的放大后位移传感信号乘以Q路解调信号sin(ω_dt+φ_x+φ_y)，再经过低通滤波器后，得到Q路低通滤波后的信号V_Q；

其中，Q路解调信号的解调频率与I路解调信号的解调频率相同，相位与I路解调信号的相位相差90°。

根据式(2)、(3)和图1所示的流程，可以推导出：

无声波干扰时，

有声波干扰时，

步骤4、判断Q路低通滤波后的信号中是否含有交流分量，若不包含则输出I路低通滤波后的信号作为完整角速度信号，否则报警提示，并跳至步骤5。

对比式(6)、(7)可以看出，当无声波干扰时，Q路低通滤波后的信号中只含有直流分量，此时可以直接将I路低通滤波后的信号作为完整角速度信号输出。当有声波干扰时，Q路低通滤波后的信号中除了直流分量，还含有低频交流分量。

从Q路低通滤波后的信号中截取一段信号，并计算其能量大小。其中，一段信号占Q路低通滤波后的信号的比例范围为10％。这里的能量大小定义为一段信号中所有数据点大小的均方根值，即能量大小为

其中，n为数据点的个数，m_i为第i个数据点的大小。

若Q路低通滤波后的信号的能量E_Q满足条件

则认为陀螺仪受到了声波干扰。其中，δ表示陀螺仪的最小分辨率。根据这一特点，可以建立报警提示机制，对声波干扰做出报警，并继而进行步骤5。

步骤5、用希尔伯特变换处理Q路低通滤波后的信号，得到Q路希尔伯特变换后信号V′_Q。

方法中用于补偿90°相移的希尔波特变换是通信系统中常用的方法。一个连续时间信号s(t)的希尔波特变换相当于该信号通过了冲激响应为1/(πt)的线性系统以后的输出信号，可表示为：

其中，*表示卷积运算；希尔波特变换本质上是相移器，其频域形式为：

信号经希尔波特变换后直流分量会被滤除，其他各频率分量的幅度保持不变，但相位出现90°相移。声波频率小于驱动频率，相位导前90°；声波频率大于驱动频率，相位滞后90°，即

步骤6、将I路低通滤波后的信号和Q路希尔伯特后的信号分别相加和相减，得到相加信号V₊和相减信号V_-。

当声波频率小于驱动频率时，完整角速度信号为

当声波频率大于驱动频率时，完整角速度信号为

这种方法还需要对声波频率和驱动频率的大小进行比较，需要提前获得声波频率和驱动频率。但显而易见的，完整角速度信号中不包含位移干扰信号，因此它一定是相加信号和相减信号中能量较低的那一个信号，故继续进行步骤6。

步骤7，分别截取相加信号和相减信号中时间轴相同的一小段信号，计算这两小段信号的能量大小，并进行比较。

其中，一段信号占相加后信号和相减后信号的比例范围为10％，这里的能量大小计算公式与式(9)相同。

步骤8、选择能量较小的那一段信号对应的信号为所需的完整角速度信号。

至此，经过步骤1到步骤8，完成了双路正交移相解调滤波的MEMS陀螺干扰抑制。

用Matlab对多种声波环境中IQ双路正交解调滤波方法的滤波效果进行了仿真，仿真的具体参数如下表所示。

表1仿真参数

首先对无声波环境中两种方法对角速度信号的响应进行仿真，仿真结果如图2所示。图2中的V_I为无声波干扰环境中单路解调滤波方法的输出信号，可以看出，输出信号与待测角速度成正比。当待测角速度为0°/s时，输出信号存在0.5V的直流偏置，这是非比例阻尼引入的同相误差角速度信号。图2中的V_IQ为无声波干扰环境中IQ双路正交移相解调滤波方法的输出信号，可以看出，两种方法对角速度的响应一致，说明采用IQ双路正交移相解调滤波方法不会影响陀螺仪正常的角速度测量。

然后仿真声波干扰对单路解调滤波方法、IQ双路正交移相解调滤波方法的影响。假定待测角速度为0°/s，工作环境中存在频率为5592Hz的声波，对声波干扰环境中两种方法的输出信号进行仿真，仿真结果如图3所示。由图3(a)可以看出，单路解调滤波方法的输出信号中存在频率为10Hz的正弦振荡，振荡幅度为0.39V。这是因为单路解调滤波方法无法滤除位移干扰信号，导致陀螺仪输出伪角速度信号，其振荡频率为声音频率(5592Hz)与驱动频率(5602Hz)的差值。由图3(b)可以看出，采用IQ双路正交移相解调滤波方法的输出信号中仍存在频率为10Hz的伪角速度信号，但振荡幅度已明显降低为0.015V。对比两种方法的仿真结果发现，IQ双路正交移相解调滤波方法可以有效地滤除声波带来的位移干扰信号，其滤波效果可达96.3％。

为了验证IQ双路正交移相解调滤波方法的通用性，接下来改变仿真状态。使陀螺仪存在50°/s的角速度，同样在频率5592Hz的声波环境中，仿真两种方法的输出信号，仿真结果如图4所示。由图4(a)可以看出，输出信号中同时存在1.36V的角速度信号和振荡幅度为0.395V的伪角速度信号。由图4(b)可以看出，采用IQ双路正交移相解调滤波方法后，伪角速度信号的振荡幅度降低为0.01V，滤波效果可达97.5％。

最后验证IQ双路正交移相解调滤波方法对不同频率的位移干扰信号的滤波效果。假定待测角速度为0°/s，工作环境中存在频率为5598Hz的声波，仿真声波干扰环境中两种方法的输出信号，仿真结果如图5所示。由图5(a)可以看出，输出信号中由声波导致的振荡幅度为0.415V，振荡频率为4Hz。由图5(b)可以看出，采用IQ双路正交移相解调滤波方法后，振荡幅度降为0.015V，滤波效果可达96.4％。

由上述仿真结果可以看出，本发明提出的方法能在保证角速度信号的完整性的前提下有效地滤除各种频率的位移干扰信号，滤波效果普遍可以达到96％。这种方法还不需要在陀螺仪内额外增加质量块或在陀螺仪外部加装防护外壳，简化了陀螺仪的结构，缩小了陀螺仪的体积，同时也降低了制造成本。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。该实施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，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、陀螺仪的位移传感信号通过放大器放大，得到放大后的位移传感信号；

步骤2、将放大后的位移传感信号乘以I路解调信号，再经过低通滤波器后，得到I路低通滤波后的信号；

步骤3、将放大后的位移传感信号乘以Q路解调信号，再经过低通滤波器后，得到Q路低通滤波后的信号；

步骤4、判断Q路低通滤波后的信号中是否含有交流分量，若不包含则输出I路低通滤波后的信号作为完整角速度信号，否则报警提示，并跳至步骤5；

步骤5、对Q路低通滤波后的信号进行希尔伯特变换，得到Q路希尔伯特变换后的信号；

步骤6、将I路低通滤波后的信号和Q路希尔伯特变换后的信号分别相加和相减，得到相加后信号和相减后信号；

步骤7、分别截取相加后信号和相减后信号中时间轴相同的一段信号，计算这两段信号的能量大小；

步骤8、选择能量较小的那一段信号对应的信号为所需的完整角速度信号。

2.根据权利要求1所述的一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：该方法依托的位移传感信号，通过放大器后分为I、Q两路信号，相比于单路解调滤波方法，增加Q路解调移相线路，即在MEMS陀螺仪原有的单路解调滤波方法基础上增设Q路解调滤波，能滤除传感方向上频率与驱动频率不同的位移干扰信号。

3.根据权利要求2所述的一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：步骤2中，I路解调信号，记为：cos(ω_dt+φ_x+φ_y)；ω_d表示解调频率，φ_x表示驱动方向的相频特性，φ_y表示传感方向的相频特性。

4.根据权利要求3所述的一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：步骤3中，Q路解调信号，记为：sin(ω_dt+φ_x+φ_y)；该Q路解调信号的解调频率ω_d与I路解调信号的解调频率ω_d相同，相位与I路解调信号的相位相差90°。

5.根据权利要求4所述的一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：步骤4中，若不包含交流分量，则说明陀螺仪未受到声波干扰；若包含交流分量，则表明陀螺仪受到了声波干扰。

6.根据权利要求5所述的一种双路正交移相解调滤波的干扰抑制方法，其特征在于：步骤7中，一段信号占相加后信号和相减后信号的比例范围为10％-90％。

Images