專利名稱：一種mems陀螺儀的差分測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及MEMS振動(dòng)陀螺儀的應(yīng)用技術(shù)，適用于各種低成本、微小型MEMS振動(dòng)陀螺儀。

背景技術(shù)：
在科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，陀螺儀發(fā)揮著重要的作用。陀螺儀是一種測量角速度的傳感器，其示意圖如圖1和圖2所示，其中圖1表示陀螺儀的立體示意圖，圖2表示陀螺儀的平面示意圖，其敏感的角速度的正方向根據(jù)右手螺旋原則確定。陀螺儀可以直接測量作用在其敏感軸OA上的外界輸入角速度ωi，也可以通過積分或微分等運(yùn)算間接測量出其敏感軸轉(zhuǎn)過的角度θ或角加速度β。
目前測量空間某條軸角速度的具體方法，都是使陀螺儀敏感軸OA與被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸AX方向平行，并將陀螺儀與被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定在一起，如圖3所示，當(dāng)被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω就會(huì)激勵(lì)陀螺儀敏感軸OA，使陀螺儀輸出代表輸入角速度ω的模擬量。陀螺儀的一個(gè)典型應(yīng)用就是組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件慣性測量單元。慣性測量單元是導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的一種非常重要的設(shè)備。它由三只陀螺儀和三只加速度計(jì)組成，按照慣性導(dǎo)航原理的要求，三只陀螺儀的敏感軸在空間兩兩互相垂直并且分別與對應(yīng)的三個(gè)載體坐標(biāo)軸平行，測量三個(gè)載體坐標(biāo)軸的輸入角速度。慣性測量單元工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其成為運(yùn)載體，尤其是航天、航空和航海領(lǐng)域中運(yùn)載體的一種廣泛使用的主要導(dǎo)航方法。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從工程角度看，更小的器件、更小的結(jié)構(gòu)單元甚至更小的分系統(tǒng)，在許多方面表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢，能滿足很多特殊場合和功能的要求。所以，近年來，隨著微型制造技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，新一代MEMS陀螺儀迅速發(fā)展起來，它們體積很小、重量很輕、成本很低，具有傳統(tǒng)陀螺儀許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。由MEMS陀螺儀組成的微小型慣性測量單元，滿足了以航天、航空和航海為代表的領(lǐng)域中出現(xiàn)的一大批小型化運(yùn)載體的非常迫切和突出的需求，例如小型化飛機(jī)翼展往往不足一米，有的甚至只有手掌般大，它內(nèi)部的空間和能夠承受的載荷非常有限，這就要求它們的慣性測量單元體積很小、重量很輕。
雖然，MEMS陀螺儀擁有許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是按照目前陀螺儀的傳統(tǒng)應(yīng)用方法，依然具有很大的缺點(diǎn)。
其一，利用單個(gè)MEMS陀螺儀測量某條軸的輸入角速度，就難以避免其工作原理、制造工藝和應(yīng)用方式給MEMS陀螺儀帶來的很大的輸入角速度測量誤差。MEMS陀螺儀的測量誤差大致可分為兩部分，一部分為確定性誤差，一部分為不確定性誤差。其中，確定性誤差可以利用陀螺儀測試、標(biāo)定、建模和補(bǔ)償?shù)忍幚矸椒p少其影響，但是不確定誤差的影響很難被消除。MEMS陀螺儀的核心敏感元件以及其處理電路部分很容易受到復(fù)雜的周圍環(huán)境的影響，例如溫度、電磁、震動(dòng)、甚至輻射、重力異常、濕度、氣壓等都可能會(huì)影響陀螺儀敏感元件和處理電路的特性，從而影響測量的輸出精度。這些影響陀螺儀特性的環(huán)境因素，大都不容易準(zhǔn)確量化和研究，而且這些因素引起的誤差會(huì)互相耦合和疊加，使得總誤差缺少規(guī)律性而表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性，即使嚴(yán)格利用標(biāo)準(zhǔn)的陀螺儀測試、標(biāo)定、建模和補(bǔ)償?shù)忍幚矸椒ㄌ幚磉@些環(huán)境因素，對陀螺儀精度的提高也不夠明顯。
其二，由于目前MEMS應(yīng)用方法受環(huán)境因素的影響太大，要想進(jìn)一步提高慣性器件和導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，只有對MEMS陀螺儀的加工工藝提出更高的要求，而改善加工工藝，周期長，難度大，復(fù)雜性高，風(fēng)險(xiǎn)大。
總之，目前利用單個(gè)MEMS陀螺儀測量某條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方法，測量精度會(huì)受到周圍復(fù)雜環(huán)境因素的嚴(yán)重影響，而且要想降低這種影響，難度很大，成本很高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有利用單個(gè)MEMS陀螺儀測量某軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方法的不足，提供一種利用兩個(gè)MEMS陀螺儀差測量方法，測量同一轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、提高測量精度的方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，挑選兩個(gè)環(huán)境敏感特性相似性接近的MEMS陀螺儀組成陀螺儀差分對，通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸方向相反，并均與同一條被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度，通過測試、標(biāo)定試驗(yàn)，確定兩個(gè)陀螺儀的主要參數(shù)以及二者之間的環(huán)境系數(shù)比值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，按照輸入角速度實(shí)時(shí)解算公式，解算出高精度的輸入角速度值。
所述的敏感特性相似性的判定步驟如下 (1)把待測陀螺儀分為兩批，一批正向安裝，另一批反向安裝，同時(shí)進(jìn)行速率實(shí)驗(yàn)，假設(shè)正向安裝的陀螺儀個(gè)數(shù)為u個(gè)，反向安裝的陀螺儀個(gè)數(shù)為v個(gè)，按時(shí)間序列t采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)y(t)； (2)分別以n階多項(xiàng)式y(tǒng)(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+…+an-1tn-1+antn擬合各個(gè)被測陀螺儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)陀螺儀的各階系數(shù)a0，a1，a2，…，an-1，an； (3)將每個(gè)正向陀螺儀和每個(gè)反向陀螺儀都一一對應(yīng)共組成u×v個(gè)陀螺儀對； (4)以陀螺儀對中的正向陀螺儀的各級擬合系數(shù)對應(yīng)除以反向陀螺儀的各級擬合系數(shù)，得出n個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)，然后求出這n個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)的方差，將所有u×v個(gè)陀螺儀對都進(jìn)行上述操作，共求出u×v個(gè)方差值； (5)u×v個(gè)方差中，方差值越小的陀螺儀對，其相似性越接近。
本發(fā)明的原理是一種MEMS陀螺儀的差分應(yīng)用方法，挑選兩個(gè)環(huán)境敏感特性相似性接近的MEMS陀螺儀組成陀螺儀差分對，如圖4所示，通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸OA1和OA2方向相反，并均與同一條被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸AX平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度ω。在圖4中，稱敏感軸與外界輸入角速度同向的陀螺儀為正向陀螺儀，稱敏感軸與外界輸入角速度反向的陀螺儀為負(fù)向陀螺儀。組成陀螺儀差分對的兩個(gè)MEMS陀螺儀，一般是在同一批MEMS陀螺儀中挑選出來的。同一批MEMS陀螺儀是應(yīng)用同種原理、在同種加工工藝條件下制作出來的，其環(huán)境敏感特性比較相似。然后，利用陀螺儀測試實(shí)驗(yàn)精確的測試、標(biāo)定同一批MEMS陀螺儀，相互比較，挑選出環(huán)境敏感特性相似性接近的陀螺儀組成陀螺儀差分對。這樣就滿足了差分應(yīng)用方法的要求。
MEMS陀螺儀中溫度是環(huán)境影響因素中最主要的誤差源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度的變化會(huì)使MEMS陀螺儀的輸出電壓發(fā)生很大的變化。這主要是因?yàn)镸EMS陀螺儀的敏感元件是由微加工工藝制作而成，體積非常小，厚度僅有數(shù)個(gè)微米，長度和寬度也不過幾個(gè)毫米，溫度變化必然引起的熱脹冷縮，會(huì)使MEMS陀螺儀的敏感元件發(fā)生變形，并改變其內(nèi)部應(yīng)力分布，從而改變MEMS陀螺儀的動(dòng)力學(xué)特性；另外，溫度的變化還會(huì)嚴(yán)重的影響信號處理電路的特性，使其內(nèi)部集成電路的電子元件特性發(fā)生溫度漂移等變化，從而影響MEMS陀螺儀的電學(xué)特性。一般的，當(dāng)溫度升高時(shí)，MEMS陀螺儀的輸出電壓也隨之升高，而且，在一定的溫度范圍里，電壓隨溫度的變化可近似為線性關(guān)系。當(dāng)然也有個(gè)別MEMS陀螺儀在微加工過程中形成的結(jié)構(gòu)，使其在溫度升高時(shí)，輸出電壓隨著降低，對他們則需要選擇同樣的隨著溫度升高而輸出電壓降低的MEMS陀螺儀與之配對，組成陀螺儀差分對。其他誤差源的影響分析類似。
根據(jù)陀螺儀的工作原理和測試原理，可得出MEMS陀螺儀輸出電壓U與輸入角速度ω之間的關(guān)系式，將輸出電壓U和可以測試、標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)膎個(gè)確定性誤差項(xiàng)Wi放在等式的左邊，將未知的輸入角速度ω和難以測試、標(biāo)定、補(bǔ)償?shù)牟淮_定性誤差項(xiàng)、以及噪聲項(xiàng)放在等式的右邊，則等式形式如下 式中 U——某測試時(shí)刻陀螺儀的輸出電壓值 Wi——測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，i＝1，...，n Kwi——第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)的系數(shù)，i＝1，...，n m——可測試、標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)拇_定性誤差項(xiàng)的個(gè)數(shù) ω——測試時(shí)刻的輸入角速度 K——此陀螺儀的標(biāo)度因數(shù) D——測試時(shí)刻不確定性誤差項(xiàng)影響量的總和 Kd——不確定性總誤差系數(shù)，即環(huán)境系數(shù) N——測試時(shí)的測量噪聲 式(1)等式左邊各個(gè)參數(shù)值均可通過標(biāo)定等實(shí)驗(yàn)方法得到，其中，U為陀螺儀的輸出電壓，可以由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路直接得出；Wi可以由相應(yīng)的傳感器測量得出，例如，與加速度有關(guān)項(xiàng)中的加速度可由加速度的輸出確定；Kwi可以按照測試標(biāo)準(zhǔn)測試并標(biāo)定出來。式(1)等式右邊的陀螺標(biāo)度因數(shù)K可以按照測試標(biāo)準(zhǔn)測試并標(biāo)定出來；ω為需要精確求取的未知量；D是不確定性誤差項(xiàng)影響量的總和，目前尚無有效的手段將其精確量化，是難以把握、難以通過現(xiàn)有手段測試、標(biāo)定、建模、補(bǔ)償?shù)牧浚彩潜景l(fā)明針對的對象；由于D難以量化，使得Kd也難以量化，測量過程中僅能確定Kd·D的值，無法單獨(dú)確定D或Kd的值；N為測量噪聲，近似為白噪聲，其數(shù)學(xué)期望值近似為零，當(dāng)將一段時(shí)間中的大量測量值平均后，N的影響基本可以消除掉。
根據(jù)右手螺旋原則，如圖4所示，當(dāng)沿著被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸AX有一個(gè)輸入角速度ω時(shí)，則正向陀螺儀的敏感軸OA1感受到的輸入角速度為+ω，而負(fù)向陀螺儀的敏感軸OA2感受到的輸入角速度為-ω。為了區(qū)別兩個(gè)陀螺儀的參數(shù)，給正向陀螺儀參數(shù)標(biāo)注下標(biāo)1，給負(fù)向陀螺儀參數(shù)標(biāo)注下標(biāo)2。則根據(jù)式(1)得出正向陀螺儀的輸入輸出關(guān)系滿足 負(fù)向陀螺儀的輸入輸出關(guān)系滿足 由于正向陀螺儀和負(fù)向陀螺儀在空間距離很近，而且本身體積很小，又固定在一起感受同一個(gè)被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸上輸入的角速度，所以，有足夠的理由近似認(rèn)為兩個(gè)陀螺儀所處的外界環(huán)境相同，即式(2)中的不確定性誤差總量D1與式(3)中的不確定性誤差總量D2相同，假設(shè)為D，則 D1＝D2＝D(4) 由式(2)得 由式(3)得 在某個(gè)已知輸入角速度ω下，取一段時(shí)間內(nèi)m個(gè)數(shù)據(jù)作平均，以去除噪聲N的影響，U1j、U2j分別表示正負(fù)陀螺儀第j個(gè)電壓采樣值，N1j、N2j分別表示正負(fù)陀螺儀第j個(gè)采樣數(shù)據(jù)所含噪聲，j＝1...m。由式(5)和式(6)得 由環(huán)境系數(shù)定義可以得到 (9) 環(huán)境系數(shù)比值為 考慮到式(4)則有 考慮到N為測量噪聲，近似為白噪聲，其數(shù)學(xué)期望值近似為零，則有 則有 在輸入角速度ω已知的測試試驗(yàn)中，等式(13)右邊各個(gè)參數(shù)均可確定，故利用上述方法可以測量出環(huán)境系數(shù)比值的大小。
在陀螺儀實(shí)際工作應(yīng)用時(shí)，輸入角速度ω在不停的變化，系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是盡量精確的確定輸入角速度ω，由式(10)得 K1d＝Kbd·K2d(14) 故將式(3)兩端同時(shí)乘以Kbd，則得 以式(2)減去式(15)得 考慮到式(4)的關(guān)系，則上式化為 又考慮到式(14)的關(guān)系，則上式中D的系數(shù)等于0，上式化為 由式(18)可得出在陀螺儀實(shí)際工作應(yīng)用時(shí)，輸入角速度ω的實(shí)時(shí)解算公式為 公式(19)右邊的各個(gè)參數(shù)中，N1和N2為測量噪聲，一般近似為高斯分布，在實(shí)時(shí)導(dǎo)航過程中，有成熟的濾波方法可用來抑制其影響，令 則Nc也為高斯分布的測量噪聲。這樣，輸入角速度ω的實(shí)時(shí)解算公式(19)化為 實(shí)時(shí)解算公式(21)中，U1和U2分別為正向和反向兩個(gè)MEMS陀螺儀的實(shí)時(shí)輸出電壓值，Kbd可利用公式(13)根據(jù)測試數(shù)據(jù)求出，剩下的其他參數(shù)均可在導(dǎo)航前利用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法測試、標(biāo)定出來。所以利用公式(21)可以在導(dǎo)航過程中實(shí)時(shí)求出輸入角速度ω的值。公式(21)中不含表示測試時(shí)刻不確定性誤差項(xiàng)影響量的參數(shù)D，所以利用以上方法實(shí)時(shí)求取的輸入角速度ω不受環(huán)境因素的影響。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用兩個(gè)MEMS陀螺儀測量同一個(gè)被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的輸入角速度，具有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明采用的陀螺議差分應(yīng)用方法，使導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的角速度求取公式里，不含不確定性環(huán)境誤差因素的影響量，因而可以避免大部分環(huán)境因素，例如溫度、電磁、震動(dòng)、甚至輻射、重力異常、濕度、氣壓等因素造成的測量誤差，可大大提高測量精度。
(2)本發(fā)明采用的陀螺議差分應(yīng)用方法中，組成差分陀螺對的兩個(gè)陀螺儀的相似性越高，組成導(dǎo)航系統(tǒng)后的導(dǎo)航精度就越能大大提高，這就把目前難度很大的通過改善MEMS陀螺儀加工工藝的方法來提高慣性器件和導(dǎo)航系統(tǒng)精度的問題，轉(zhuǎn)化為了難度不大的通過提高兩個(gè)陀螺儀相似性的方法來提高慣性器件和導(dǎo)航系統(tǒng)精度的問題。降低了解決問題的難度和成本，提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。



圖1為MEMS陀螺儀三維立體示意圖； 圖2為MEMS陀螺儀二維平面示意圖； 圖3為利用單個(gè)MEMS陀螺儀測量某被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸的示意圖； 圖4為敏感軸垂直安裝基準(zhǔn)面的微型MEMS陀螺儀對測量角速度示意圖，圖中1、正向陀螺儀，2、反向陀螺儀； 圖5為敏感軸平行安裝基準(zhǔn)面的微型MEMS陀螺儀對測量角速度示意圖，圖中1、正向陀螺儀，2、反向陀螺儀； 圖6為敏感軸垂直安裝基準(zhǔn)面的CRS03微型MEMS陀螺儀對測量角速度示意圖，其中圖6a為主視圖，圖6b為左視圖，圖6c為俯視圖，圖6d為左俯視圖，圖中1、正向陀螺儀，2、反向陀螺儀； 圖7為敏感軸平行安裝基準(zhǔn)面的LCG50微型MEMS陀螺儀對測量角速度示意圖，其中圖7a為主視圖，圖7b為左視圖，圖7c為俯視圖，圖7d為左俯視圖，圖中1、正向陀螺儀，2、反向陀螺儀。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例中MEMS陀螺儀以硅MEMS陀螺儀CRS03為實(shí)例。
首先，取一批硅MEMS陀螺儀CRS03，本實(shí)施例取20個(gè)，按照常用的陀螺儀測試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。測試、標(biāo)定出MEMS陀螺儀各個(gè)重要參數(shù)，包括各個(gè)確定性誤差項(xiàng)以及它們的系數(shù)，通常有零偏、零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)、標(biāo)度因數(shù)不對稱度、標(biāo)度因數(shù)的重復(fù)性、最大輸入角速度、閾值、分辨率、隨機(jī)游走系數(shù)、輸入軸失準(zhǔn)角、頻帶寬度等參數(shù)。
其次，將這批MEMS陀螺儀CRS03平均分為兩組，每組10個(gè)。利用單軸速率轉(zhuǎn)臺進(jìn)行轉(zhuǎn)臺試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)夾具將一組MEMS陀螺儀的敏感軸平行轉(zhuǎn)臺自轉(zhuǎn)軸方向向上固定于轉(zhuǎn)臺上，將另一組MEMS陀螺儀的敏感軸平行轉(zhuǎn)臺自轉(zhuǎn)軸方向向下固定于轉(zhuǎn)臺上。在輸入角速率范圍內(nèi)，選取多個(gè)輸入角速率，按照設(shè)定的采樣頻率測試并存儲(chǔ)陀螺儀輸出數(shù)據(jù)。
再次，根據(jù)處理的數(shù)據(jù)選取環(huán)境敏感特性相似性最接近的兩個(gè)MEMS陀螺儀組成陀螺儀差分對。所述的敏感特性相似性的判定步驟如下 (1)把20個(gè)待測陀螺儀分為兩批，10個(gè)正向安裝，10個(gè)反向安裝，同時(shí)進(jìn)行速率實(shí)驗(yàn)，按時(shí)間序列t采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)y(t)； (2)分別以4階多項(xiàng)式y(tǒng)(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4擬合各個(gè)被測陀螺儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)陀螺儀的各階系數(shù)a0，a1，a2，a3，a4； (3)將10個(gè)正向陀螺儀和10個(gè)反向陀螺儀都一一對應(yīng)共組成10×10＝100個(gè)陀螺儀對； (4)以陀螺儀對中的正向陀螺儀的各級擬合系數(shù)對應(yīng)除以反向陀螺儀的各級擬合系數(shù)，得出5個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)，然后求出這5個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)的方差，將所有100個(gè)陀螺儀對都進(jìn)行上述操作，共求出100個(gè)方差值； (5)100個(gè)方差中，方差值越小的陀螺儀對，其相似性越接近。
最后，將選出的CRS03微硅MEMS陀螺儀對安裝在需要測量的載體上，其差分原理示意圖如圖4所示，具體安裝示意圖如圖6所示，通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸方向相反，并均與被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度，應(yīng)用公式(21)即可在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)解算出高精度的輸入角速度值。
本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中MEMS陀螺儀以BEI公司生產(chǎn)的石英MEMS陀螺儀LCG50為例。
此時(shí)，陀螺儀的測試實(shí)驗(yàn)、標(biāo)定方法、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、陀螺儀對的選取，都與實(shí)施例一相同。不同的是，CRS03的角速度敏感軸方向垂直于陀螺儀安裝基準(zhǔn)面，而LCG50的角速度敏感軸方向平行于陀螺儀安裝基準(zhǔn)面。
故將選出的LCG50MEMS陀螺儀對安裝在需要測量的載體上時(shí)，安裝方式的差分原理示意圖如圖5所示，具體安裝示意圖如圖7所示。通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸方向相反，并均與被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度，應(yīng)用公式(21)在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)解算出高精度的輸入角速度值。
權(quán)利要求
1.一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，其特征在于包括下列步驟
(1)挑選兩個(gè)環(huán)境敏感特性相似性接近的MEMS陀螺儀組成陀螺儀差分對；
(2)通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸方向相反，并均與同一條被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度；
(3)通過測試、標(biāo)定試驗(yàn)，確定兩個(gè)陀螺儀的特性參數(shù)以及二者之間的環(huán)境系數(shù)比值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，按照輸入角速度實(shí)時(shí)解算公式，解算出高精度的輸入角速度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，其特征在于所述的敏感特性相似性的判定步驟如下
(1)把待測陀螺儀分為兩批，一批正向安裝，另一批反向安裝，同時(shí)進(jìn)行速率實(shí)驗(yàn)，假設(shè)正向安裝的陀螺儀個(gè)數(shù)為u個(gè)，反向安裝的陀螺儀個(gè)數(shù)為v個(gè)，按時(shí)間序列t采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)y(t)；
(2)分別以n階多項(xiàng)式y(tǒng)(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+…+an-1tn-1+antn擬合各個(gè)被測陀螺儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)陀螺儀的各階系數(shù)a0，a1，a2，…，an-1，an；
(3)將每個(gè)正向陀螺儀和每個(gè)反向陀螺儀都一一對應(yīng)共組成u×v個(gè)陀螺儀對；
(4)以陀螺儀對中的正向陀螺儀的各級擬合系數(shù)對應(yīng)除以反向陀螺儀的各級擬合系數(shù)，得出n個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)，然后求出這n個(gè)擬合系數(shù)比值數(shù)據(jù)的方差，將所有u×v個(gè)陀螺儀對都進(jìn)行上述操作，共求出u×v個(gè)方差值；
(5)u×v個(gè)方差中，方差值越小的陀螺儀對，其相似性越接近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，其特征在于所述的環(huán)境系數(shù)比值Kbd的計(jì)算公式為
其中，Kbd表示環(huán)境系數(shù)比值；i表示取定性誤差的序號，i＝1，...n，n＝2～7，j表示每次參與數(shù)據(jù)平滑處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，j＝1，...m，m＝8～30。U1j表示正向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出電壓，U2j表示負(fù)向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出電壓，K1wj表示正向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，K2wj表示負(fù)向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，W1i表示正向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，W2i表示負(fù)向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，K1表示正向陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)，K2表示負(fù)向陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)，ω表示測試時(shí)刻的輸入角速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，其特征在于所述的輸入角速度實(shí)時(shí)解算公式為
其中，Nc是高斯白噪聲，N1表示正向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲，N2表示負(fù)向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲。
全文摘要
一種MEMS陀螺儀的差分測量方法，挑選兩個(gè)環(huán)境敏感特性相似性接近的MEMS陀螺儀組成陀螺儀差分對，通過安裝使兩個(gè)MEMS陀螺儀的角速度敏感軸方向相反，并均與同一條被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，敏感同一個(gè)外界輸入角速度，通過測試、標(biāo)定試驗(yàn)，確定兩個(gè)陀螺儀的主要參數(shù)以及二者之間的環(huán)境系數(shù)比值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，按照輸入角速度實(shí)時(shí)解算公式，解算出高精度的輸入角速度值。本發(fā)明選用相同類型、相同加工工藝的陀螺儀，利用了同種類型MEMS陀螺儀對環(huán)境因素反應(yīng)特性的相似性，差分安裝抑制輸出漂移的特性，通過對陀螺對輸出數(shù)據(jù)的處理來提高M(jìn)EMS陀螺儀的測量精度。本發(fā)明適用于各種MEMS陀螺儀的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其適用于要求MEMS陀螺儀成本低，系統(tǒng)輸出精度高的場合。
文檔編號G01C19/56GK101158582SQ200710176338
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月25日
發(fā)明者房建成, 張海鵬, 馮浩楠, 蔣顏瑋, 馬艷武, 譚麗偉 申請人:北京航空航天大學(xué)