基于微慣性導航系統的MEMS陀螺的應用研究

朱曉淼

摘 要：慣性導航系統最大的優點就是能夠不依靠外界信息的基礎上展開長時間的自主導航，目前該類技術也逐漸成熟，其精度較高。本文主要探討研究了基于微慣性導航系統的MEMS陀螺誤差補償方法，以期更好地滿足社會發展的需要。

關鍵詞：微慣性;導航系統;MEMS陀螺誤差補償

中圖分類號： TP212.9 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-153-2

1 ?基于MEMS的微慣導系統

目前，微慣性導航系統在汽車工程、航空航天、通信工程等方面展開了廣泛的利用，和傳統慣導系統相比而言，基于MEMS技術的慣導系統有著較多的優勢，同時也在不斷地發展[1]。如今慣性技術顯然成為了微慣性導航系統的一個發展新方向，一般涉及了數據處理單元、微慣性測量單元、導航計算機三方面。其中溫度傳感器、三個正交放置的MEMS陀螺儀以及MEMS加速度計構成了微慣性測量單元，此時的加速度計、陀螺儀二者的空間坐標系需要相同，在數據處理的基礎上把MIMU單元中加速度計、陀螺儀的輸出輸送至導航計算機內，完成導航解算，對速度、位置、姿態等相關信息進行輸出。

2 ?MEMS陀螺儀概述

微機械系統作為一種在微加工技術、集成電路技術的基礎上，把微傳感器、微結構、控制電路這三者有機地集成于一個較小的芯片中。現如今，我國的科學技術水平正在突飛猛進地發展，尤其近幾年來我國的微電子技術、微型制造技術得到了大力的改進、發展，在一定程度上推動了MEMS系統的產生、發展。微機械系統正是由于其自身獨特的加工技術、制造工藝，給MEMS系統帶來諸多的優點，主要包括了集成化、質量輕、微型化、成本低等。MEMS陀螺儀嚴格按照MEMS技術進行制造，最大的優勢就是其獨特的工作原理。傳統的光學陀螺，一般包括了光纖、激光陀螺儀等，主要是在光的Sagnac效應的前提下來對轉動角速度變化展開計算的[2]。傳統的力學陀螺，主要包括了液浮式、靜電式陀螺儀等，應用的是力學特性來對角度變化情況進行測量，其工作原理主要是依據物理學中的角動量守恒定理來進行的。而MEMS陀螺儀是以MEMS技術為前提的，即主要是在科里奧利效應、經典力學基礎上進行的，傳統的陀螺儀是難以和現代MEMS陀螺儀相比擬的，因此MEMS陀螺儀得到了廣泛的使用。正是因為MEMS陀螺儀的工作原理是基于哥氏效應展開的，其產生的大小一般是和輸入角速度、振動速度兩者的乘積成正比的哥氏力，在對哥氏力的方向、大小進行檢測的基礎上，能夠最大程度上得到輸入角速度的信息，其質量塊因為受到力的影響，通常進行的是繞中心軸轉動運動以及振動運動。如圖1所示，為框架式MEMS陀螺儀示意圖，圍繞著框架式MEMS陀螺儀示意圖簡單介紹框架式MEMS陀螺的原理、結構。框架式MEMS陀螺儀主要是通過外、內兩個正交框架組合而成，其中還包括了檢測、基座的質量塊。該兩個框架為檢測框架、驅動框架，在外框架兩邊設立了激振電極，內框架兩側設置讀取電極，固定該四個電極相對陀螺儀殼體位置，其中內框架組、檢測質量塊有機結合而成一個整體，外框架和基座、內框架在撓性桿的基礎上進行連接。一旦加上相位相反的交變電壓于兩個激勵電極上，此時的外框架會由于產生交變靜電力進而出現力矩作用，從而導致繞驅動軸做角振動運動的情況，另一方面，質量塊上的各點也是進行線振動運動。若是基座繞輸入軸在慣性空間憑借角速度是ω來進行轉動時，在各個質點上會出現哥式加速度，發生哥氏慣性力，而該慣性力會出現繞輸出軸的哥氏力矩，同時在這個力矩的影響下，造成內框架繞輸出軸行角振動，輸入角速度的大小其實就是振幅正比，相位是通過輸入角速度的方向決定的，致使內框架之間距離、兩個讀取電極依據一定的振動規律進行改變，進而產生電容變化。同時電容的變化值的基礎上，就能對輸出的電壓信號進行計算。

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圖1 ?框架式MEMS陀螺儀示意圖

3 ?基于MEMS的微慣導系統工作原理

微慣性導航系統的工作原理是在陀螺儀、加速度計輸出信息的基礎上，獲得運載體的速度、位置、姿態等相關的導航信息。加速度計輸出的是b系也就是載體坐標系下的比力fb，通過t系即轉換變為地理坐標系下的比力ft，把比力ft通過一次積分獲得t系下載體的速度，由二次積分計算出載體的位置。陀螺儀輸出的是b系也就是載體坐標系下的角速度wbib信息，對姿態矩陣進行更新，在姿態矩陣計算的基礎上，得到運載體的方向、航向等信息。加速度計、陀螺儀精度的大小影響著微慣導系統定位的精度，一般慣性器件產生的誤差和其精度成負相關的關系。

4 ?MEMS陀螺儀的隨機誤差補償方法

無線性規律、慢時變是MEMS陀螺儀隨機漂移誤差最為主要的特點，不是簡單的數學模型就能進行描述的。通常在慣導系統中，一旦MEMS陀螺儀精度不高，就會造成輸出的信號存在大量的隨機漂移誤差，嚴重制約著導航系統的精度，所以，科學合理的辨識、補償MEMS陀螺儀的隨機漂移誤差是一件具有關鍵的研究意義。現如今，通常應用以下三類手段對MEMS陀螺儀的精度進行改善：

首先就是應用溫控裝置，科學補償由于溫度變化而造成的MEMS陀螺儀誤差，緩解因為溫度對MEMS陀螺儀精度帶來的不良后果;

其次就是由陀螺儀的自身結構著手，大力應用先進的生產材料、工藝技術，緩和由于陀螺儀結構對精度造成的影響， 然而該類方法需要的時間較長，所需要的經費很高，難以有效達到改善制作工藝的目的。

最后就是應用軟件的手段構建一定的數學模型，補償MEMS陀螺儀誤差， 強化MEMS陀螺儀的精度，這種方法最大的優勢就是時間短、效果好、成本低。一般情況下，主要涉及了三種模型結構，即AR、ARMA、MA。在該種方法的基礎上能夠在短時間內獲得MEMS陀螺儀相關的隨機誤差模型，但是該種方式最大的不足就是需要將陀螺儀輸出的數據進行正態化、平穩化、零均值處理，進而影響陀螺儀建模的實際精度，該類方法所需要的建模精度較高，注定該方法只能應用于較為平穩的隨機序列建模中[3]。目前應用較為廣泛的是功率譜密度分析法，簡稱為PSD，實際上就是一種頻域分析的手段，通常情況下，不同的隨機誤差需要不同的功率譜密度來對各誤差項進行辨識。其中隨著傅里葉的變換小波變換是也抓緊發展起來，作為一種信號分析、處理的手段，能夠在一定的頻域、時域中同時詳細表征信號。在對陀螺儀的隨機誤差信號具體的處理過程中，小波去噪的方法可以有效地削弱隨機誤差給陀螺儀精度帶來的不良影響。

5 ?結語

綜上所述，怎樣在MEMS陀螺儀的隨機誤差的基礎上，構建一個合理科學的模型以及進行補償，儼然成為了增強MEMS陀螺儀精度的一個關鍵措施之一，也成為了精度定位、優化微慣導系統導航的一個新方向。

參 考 文 獻

[1] 孟璇璇.基于MEMS的捷聯慣導系統誤差分析與補償研究[D].上海交通大學，2005.

[2] 李榮冰，杭義軍，孫永榮，等.高性能微型慣性姿態系統的設計、集成與試驗研究[C].慣性技術發展動態發展方向研討會，2011.

[3] 杜瑾，李杰，馮凱強，等.多項式擬合在MEMS陀螺儀零點隨機漂移抑制中的應用研究[J].傳感技術學報，2016，29（5）：111-114.