CN113108812A - 一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的mems陀螺仪模态匹配算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，该系统包括信号处理模块和控制模块，通过调整陀螺仪检测模态的检测频率实现模态匹配；在陀螺仪正常工作状态下，对检测模态的输出信号进行采样，并将采样信号输入信号处理模块；采样信号经过低通滤波和降采样后，通过上下边带滤波分别得到检测模态中驱动频率两侧信号，比较两信号功率大小；控制模块通过两信号功率差值的正负情况，输出控制信号反馈到陀螺仪检测模态的调谐电极，由此控制检测模态的检测频率。本发明在不影响MEMS陀螺仪正常工作的前提下，实时调整检测频率，实现模态匹配，从而使系统机械灵敏度达到最大。

Description

一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺 仪模态匹配算法

技术领域

本发明涉及一种算法，具体涉及一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，属于微机电陀螺仪技术领域。

背景技术

MEMS陀螺仪是一种依据哥氏效应原理工作的传感器，随着MEMS技术的不断发展，陀螺仪在惯性导航领域的应用越来越成熟，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在军用和民用领域均得到广泛的应用。MEMS陀螺仪具有驱动模态和检测模态两个工作模态，模态匹配状态下陀螺的机械灵敏度达到最大，所以模态匹配可以改善陀螺机械灵敏度及其工作性能。

然而，由于加工条件的限制，以及温度等环境因素对谐振频率的影响，往往很难实现模态匹配。目前，国内外专家针对这一问题提出了许多实现模态匹配的方法，主要包括机械调谐和静电调谐，但机械调谐仅仅是改变陀螺仪的物理特性，并不能实现实时匹配等要求，静电调谐则可以通过静电负刚度效应来改变陀螺仪检测模态的频率，从而达到实时模态匹配的目的，因此被广泛使用和研究。研究一种高精度的实时模态匹配系统成为当下陀螺仪研究的一个重要方向。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，该技术方案在不影响陀螺仪正常工作的前提下，尽量减少温度对陀螺仪模态匹配产生的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，包括信号处理模块和控制模块；陀螺仪正常工作时，输出检测信号以及噪声信号到信号处理模块；其中信号处理模块对信号进行低通滤波、降采样处理，通过比较检测模态中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测模态和驱动模态的模态顺序并输出至所述控制模块；控制模块根据两模态的模态顺序输出控制信号，经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极，实现实时的模态匹配。

作为本发明的一种改进，所述信号处理模块包括低通滤波器，降采样器，上边带滤波器，下边带滤波器和功率计算模块，将输入检测模态的信号乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s，信号功率谱向左右分别平移了f_d-f₀；低通滤波器滤除其中的高频信号，使得信号处于低频段，可以消除驱动频率漂移所造成的影响；降采样器降低信号采样率，根据一般FIR滤波器阶数估算公式，相同阶数的情况下，采样率越低，滤波器过渡带越陡，越接近理想特性；上下边带滤波器分别对信号进行滤波，得到驱动频率两侧的信号，通过比较两信号的功率大小即可判断驱动和检测模态的模态顺序；功率计算模块计算两信号的功率大小，根据功率计算公式，对上下边带信号分别进行累加求和即可得到功率的估计，将两信号的功率相减，并将功率差信号输出到控制模块。

作为本发明的一种改进，所述控制模块包括存储器，求和器和PI控制器，由于在仅有噪声的情况和包含哥氏信号的情况下，功率差的信号相差很大，所以取功率差信号的符号；存储器FIFO将符号存储起来；求和器将FIFO中的正负号数目进行累加，根据累加结果调整增益K的大小，若正号数量较负号多，则增大K以加快控制，若正负号数量接近，则减小K以减缓控制；PI控制器将经过增益的信号进行调节，输出到D/A转换器，进而反馈到检测模态调谐电极，实现实时地模态匹配。

作为本发明的一种改进，在信号处理模块中，利用上下边带滤波器得到检测模态中驱动频率两侧的信号，利用功率谱估计的方法得到两信号的功率，两信号的功率大小情况对应不同的模态顺序，并且在有无哥氏信号的情况下，都能判断两模态的模态顺序。

作为本发明的一种改进，在信号处理模块中，为求得上下边带滤波器得到的两信号功率，根据信号功率计算公式，对信号先平方再累加求和，即可得到信号的功率谱估计。

作为本发明的一种改进，在控制模块中，提取驱动频率两侧的信号功率差的符号，将符号进行存储相加，根据相加结果得出驱动模态频率和检测模态频率的大小，进而反馈控制检测模态的调谐电极以调整检测模态频率，实现MEMS陀螺仪实时的模态匹配。

作为本发明的一种改进，模态匹配系统包括如下步骤：

步骤1)陀螺仪正常工作时，哥氏力与噪声同时作用于陀螺仪检测模态，检测模态输出检测信号s(t)采样得到s[n]后，输入到信号处理模块；

步骤2)在信号处理模块中，将采样后的信号s[n]乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s得到g[n]；

步骤3)对g[n]进行低通滤波，得到低频带的信号h[n]，并对h[n]进行降采样；

步骤4)对降采样后的信号分别进行上边带和下边带滤波，得到h_l[n]和h_u[n]，对h_l[n]和h_u[n]比较功率大小，得到输出信号e[n]；

步骤5)e[n]输入控制模块，将e[n]的符号提取出来，将符号存储并求和，根据求和结果控制增益K的大小，符号信号经过增益K，再经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极。

本发明通过比较检测模态信号中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测与驱动模态的顺序，并由此控制检测模态频率，实现模态匹配，使机械灵敏度达到最大值。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)微机械陀螺仪谐振频率会随着环境温度的变化而变化，模态频差也会在运行过程中发生变化，本方法通过实时在线匹配解决这一问题，提高了陀螺仪对温度环境的适应性；2)该技术方案与机械调谐相比，不需修调陀螺仪谐振子机械结构，可以通过实时静电控制实现在线匹配；3)常规基于静电控制的模态匹配方法需增加扰动信号，本方法提出的算法基于陀螺仪谐振子自身必然存在的噪声和哥氏信号，利用其功率的对称特征，实现匹配控制，不会改变陀螺仪正常的工作状态。

附图说明

图1为本发明的系统原理图。

图2为本发明的系统实现框图。

图3为本发明中信号处理模块原理图。

图4为本发明中控制模块原理图。

图5为本发明中MEME陀螺仪检测模态系统框图。

图6为本发明中陀螺仪检测模态输出信号功率谱示意图。

图7为本发明中陀螺仪检测模态输出信号处理示意图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，包括信号处理模块和控制模块；陀螺仪正常工作时，输出检测信号以及噪声信号到信号处理模块；其中信号处理模块对信号进行低通滤波、降采样处理，通过比较检测模态中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测模态和驱动模态的模态顺序并输出至所述控制模块；控制模块根据两模态的模态顺序输出控制信号，经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极，实现实时的模态匹配，所述信号处理模块包括低通滤波器，降采样器，上边带滤波器，下边带滤波器和功率计算模块，将输入检测模态的信号乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s，信号功率谱向左右分别平移了f_d-f₀；低通滤波器滤除其中的高频信号，使得信号处于低频段，可以消除驱动频率漂移所造成的影响；降采样器降低信号采样率，根据一般FIR滤波器阶数估算公式，相同阶数的情况下，采样率越低，滤波器过渡带越陡，越接近理想特性；上下边带滤波器分别对信号进行滤波，得到驱动频率两侧的信号，通过比较两信号的功率大小即可判断驱动和检测模态的模态顺序；功率计算模块计算两信号的功率大小，根据功率计算公式，对上下边带信号分别进行累加求和即可得到功率的估计，将两信号的功率相减，并将功率差信号输出到控制模块，所述控制模块包括存储器，求和器和PI控制器，由于在仅有噪声的情况和包含哥氏信号的情况下，功率差的信号相差很大，所以取功率差信号的符号；存储器FIFO将符号存储起来；求和器将FIFO中的正负号数目进行累加，根据累加结果调整增益K的大小，若正号数量较负号多，则增大K以加快控制，若正负号数量接近，则减小K以减缓控制；PI控制器将经过增益的信号进行调节，输出到D/A转换器，进而反馈到检测模态调谐电极，实现实时地模态匹配，在信号处理模块中，利用上下边带滤波器得到检测模态中驱动频率两侧的信号，利用功率谱估计的方法得到两信号的功率，两信号的功率大小情况对应不同的模态顺序，并且在有无角速度输入的情况下，都能判断两模态顺序，在信号处理模块中，为求得上下边带滤波器得到的两信号功率，根据信号功率计算公式，对信号先平方再累加求和，即可得到信号的功率谱估计，在控制模块中，提取驱动频率两侧的信号功率差的符号，将符号进行存储相加，根据相加结果得出驱动模态频率和检测模态频率的大小，进而反馈控制检测模态的调谐电极以调整检测模态频率，实现MEMS陀螺仪实时的模态匹配。

具体实施例：参照图1—图7，如图2所示为一种面向MEMS陀螺仪的模态匹配系统原理图，图3为其中信号处理模块的原理图，图4为控制模块的原理图，其中模态匹配系统包括如下步骤：

(1)陀螺仪正常工作时，哥氏力与噪声同时作用于陀螺仪检测模态，检测模态输出检测信号s(t)采样得到s[n]后，输入到信号处理模块；

(2)在信号处理模块中，将采样后的信号s[n]乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s得到g[n]；

(3)对g[n]进行低通滤波，得到低频带的信号h[n]，并对h[n]进行降采样；

(4)对降采样后的信号分别进行上边带和下边带滤波，得到h_l[n]和h_u[n]，对h_l[n]和h_u[n]比较功率大小，得到输出信号e[n]；

(5)e[n]输入控制模块，将e[n]的符号提取出来，将符号存储并求和，根据求和结果控制增益K的大小，符号信号经过增益K，再经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极。

本发明通过比较检测模态信号中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测与驱动模态的顺序，并由此控制检测模态频率，实现模态匹配，使机械灵敏度达到最大值。

步骤1：

如图5所示，为本发明MEMS陀螺仪检测模态中的信号框图。其中，G_y(s)是检测模态的传递函数，输入G_y(s)的噪声信号为m(t)+K_vf*e_F(t)，其中，K_vf为电信号转换为力信号的增益，m(t)为机械噪声，e_F(t)为反馈电路产生的噪声。

MEMS陀螺仪检测模态传递函数可表示为

其中ω²＝ω² _y-κ₂₂/m，Q_y为检测模态品质因数，其中κ₂₂是由调谐电极决定的静电力负刚度参数。当陀螺仪处于正常工作状态时，驱动模态处于谐振状态，假设驱动模态的位移为：x(t)＝A_xsin(ω_dt)，其中A_x为驱动模态响应位移振幅，ω_d为驱动模态谐振频率。在此状态下，当有角速度输入时，根据哥氏效应，作用在检测模态的哥氏力为：FΩ(t)＝-2m_yηΩA_xω_dcos(ω_dt)其中，m_y为检测模态检测质量，Ω为输入角速度。κ₂₂是由调谐电极决定的静电力负刚度参数，通过κ₂₂来调整检测模态的频率。

检测模态输出信号s(t)＝K_prey(t)+e_p(t)，其中，K_pre为力信号转换为电信号的增益，e_p(t)为前置电路产生的电噪声。如图6所示为信号s(t)的功率谱示意图，s(t)功率谱为

其中，P_y(f)＝P_f(f)|G_y(f)|²,其中，

检测模态输入信号的功率谱总是关于驱动频率f_d对称，而经过检测模态后输出信号s(t)的功率谱对称性则与模态是否匹配相关。如图5所示，若[f_d，f_d+f_ω]内的信号功率较大，即P_U>P_L，则检测模态信号频率大于驱动模态信号频率；若[f_d-f_ω，f_d]内的信号功率较大，即P_U<P_L，则驱动模态信号频率大于检测模态信号频率；若[f_d-f_ω，f_d]内信号功率等于[f_d，f_d+f_ω]，即P_U＝P_L，则驱动模态信号频率等于检测模态信号频率。

为了得到s(t)信号功率谱关于驱动频率处的对称性，将其采样后输入信号处理模块。

步骤2：

在信号处理模块中，首先将信号s[n]乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s，得到g(n)。如图7所示，g(n)的功率谱相较于s(n)功率谱向左右分别平移了f_d-f₀，功率大小变为原先的1/4。

步骤3：

用低通滤波器滤掉信号g[n]中的高频部分，保留频率左移f_d-f₀的信号h[n]，实现将信号调至低频段，可消除驱动谐振频率漂移所造成的影响。接着对h[n]进行降采样。根据一般FIR滤波器阶数估算公式，M＝(3～6)π/△ω＝(3～6)f_s/2△f，其中△f表示过渡带陡峭程度。相同阶数的情况下，采样率越低，△f越小，即滤波器过渡带越陡，越接近理想特性。

步骤4：

对降采样后的信号h[n]分别进行上边带滤波和下边带滤波，分别得到信号功率集中在[f₀-f_ω,f₀]和[f₀,f₀+f_ω]内的窄带信号。根据公式

可知，对上边带信号进行平方累加即得到其功率的估计：

对下边带信号进行平方累加得到下边带信号的功率估计：

由此，可根据P_u和P_l的大小判断驱动模态和检测模态的模态顺序，即：e[n]>0时，检测模态频率高于驱动模态；e[n]<0时，检测模态频率低于驱动模态。

步骤5：

在仅有噪声的情况下，信号的功率较小，而当有哥氏信号时，信号的功率较大，由于两者在数量级上相差较大，所以只提取e[n]的符号。一方面，将提取的信号经过增益K后输入到PI控制中，另一方面，将符号存入存储器FIFO中，将存储器中的符号进行求和，根据符号的正负情况调整K。若正号较多，则增大K以加快控制，若正负号数量接近，则减小K来减缓控制。符号信号经过增益K，再经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极，从而调整陀螺仪检测模态的检测频率，实现MEMS陀螺仪实时的模态匹配。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，包括信号处理模块和控制模块；陀螺仪正常工作时，输出检测信号以及噪声信号到信号处理模块；其中信号处理模块对信号进行低通滤波、降采样处理，通过比较检测模态中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测模态和驱动模态的模态顺序并输出至所述控制模块；控制模块根据两模态的模态顺序输出控制信号，经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极，实现实时的模态匹配。

2.根据权利要求1所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，所述信号处理模块包括低通滤波器，降采样器，上边带滤波器，下边带滤波器和功率计算模块，将输入检测模态的信号乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s,其中，T_s为采样周期，ω_d为驱动模态谐振频率，ω₀为一处于低频的中心频率，n是当前采样点数，信号功率谱向左右分别平移了ω_d-ω₀；低通滤波器滤除其中的高频信号，使得信号处于低频段，消除驱动频率漂移所造成的影响；降采样器降低信号采样率，上下边带滤波器分别对信号进行滤波，得到驱动频率两侧的信号，通过比较两信号的功率大小即可判断驱动和检测模态的模态顺序；功率计算模块计算两信号的功率大小，根据功率计算公式，对上下边带信号分别进行累加求和即可得到功率的估计，将两信号的功率相减，并将功率差信号输出到控制模块。

3.根据权利要求2所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，所述控制模块包括存储器、求和器和PI控制器，功率差的信号相差很大，所以取功率差信号的符号；存储器FIFO将符号存储起来；求和器将FIFO中的正负号数目进行累加，根据累加结果调整增益K的大小，若正号数量较负号多，则增大K以加快控制，若正负号数量接近，则减小K以减缓控制；PI控制器将经过增益的信号进行调节，输出到D/A转换器，进而反馈到检测模态调谐电极，实现实时地模态匹配。

4.根据权利要求3所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，在信号处理模块中，利用上下边带滤波器得到检测模态中驱动频率两侧的信号，利用功率谱估计的方法得到两信号的功率，两信号的功率大小情况对应不同的模态顺序，并且在有无角速度输入的情况下，都能判断两模态的顺序。

5.根据权利要求3或4所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，在信号处理模块中，为求得上下边带滤波器得到的两信号功率，根据信号功率计算公式，对信号先平方再累加求和，即可得到信号的功率谱估计。

6.根据权利要求5所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，在控制模块中，提取驱动频率两侧的信号功率差的符号，将符号进行存储相加，根据相加结果得出驱动模态频率和检测模态频率的大小，进而反馈控制检测模态的调谐电极以调整检测模态频率，实现MEMS陀螺仪实时的模态匹配。

7.根据权利要求6所述的基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，其特征在于，模态匹配系统包括如下步骤：

步骤1)陀螺仪正常工作时，哥氏力与噪声同时作用于陀螺仪检测模态，检测模态输出检测信号s(t)采样得到s[n]后，输入到信号处理模块；

步骤2)在信号处理模块中，将采样后的信号s[n]乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s得到g[n]，其中，T_s为采样周期，ω_d为驱动频率谐振频率，ω₀为一处于低频的中心频率，n是当前采样点数；

步骤3)对g[n]进行低通滤波，得到低频带的信号h[n]，并对h[n]进行降采样；

步骤4)对降采样后的信号分别进行上边带和下边带滤波，得到h_l[n]和h_u[n]，对h_l[n]和h_u[n]比较功率大小，得到输出信号e[n]；

步骤5)e[n]输入控制模块，将e[n]的符号提取出来，将符号存储并求和，根据求和结果控制增益K的大小，符号信号经过增益K，再经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极。

Images