專利名稱：基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸mems陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三軸MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)，Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺標(biāo)定方法，屬于MEMS陀螺技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的陀螺標(biāo)定方法包括靜態(tài)多位置法和角速率法。通過位置測(cè)試和角速率測(cè)試可以標(biāo)定出陀螺的確定性誤差系數(shù)。其方法和步驟比較復(fù)雜，每個(gè)誤差項(xiàng)都有不同的標(biāo)定方法和步驟，而且有的誤差項(xiàng)的標(biāo)定需要很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間；雖然該方法標(biāo)定的精度很高，但標(biāo)定時(shí)間很長(zhǎng)。針對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)定方法耗時(shí)太長(zhǎng)的問題，有研究人員發(fā)明了一種基于光纖陀螺的無轉(zhuǎn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法，其方法沒有精密轉(zhuǎn)臺(tái)作為標(biāo)定基準(zhǔn)，而是通過多位置旋轉(zhuǎn)，再通過積 分求解出陀螺各誤差系數(shù)。雖然該方法操作簡(jiǎn)便快捷，實(shí)現(xiàn)了陀螺的快速標(biāo)定，但是在無精密轉(zhuǎn)臺(tái)情況下固定陀螺的平面不能完全水平，并且陀螺的旋轉(zhuǎn)角度不能精確控制，甚至?xí)肴藶椴僮髡`差；因此，該方法不能保證標(biāo)定的精度；再者，該方法是基于光纖陀螺，沒有考慮陀螺的加速度敏感性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，主要解決傳統(tǒng)陀螺標(biāo)定方法的耗時(shí)問題和無轉(zhuǎn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法的低精度問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，其特征是，包括以下步驟I)建立MEMS陀螺的誤差模型建立的誤差模型中包含固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)；2)對(duì)MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定將三軸MEMS陀螺固定在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，分別測(cè)試陀螺的輸入敏感軸指向+Z軸、-Z軸、±X軸、土Y軸方向，并且轉(zhuǎn)臺(tái)分別逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°、順時(shí)針轉(zhuǎn)過360°的數(shù)據(jù)，記錄下MEMS陀螺在這6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間；3 )計(jì)算MEMS陀螺誤差系數(shù) 通過對(duì)MEMS陀螺的上述6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化MEMS陀螺的誤差模型，分別得到陀螺旋轉(zhuǎn)后的誤差模型，對(duì)該旋轉(zhuǎn)后的誤差模型等式兩邊進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組,求解出MEMS陀螺的固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)。步驟I)中建立的MEMS陀螺的誤差模型為SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω X+Kyi ω y+Kzi ωζ, (i = χ, y, ζ) (I)其中=Si是i軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)，Uij是i軸陀螺第j次旋轉(zhuǎn)的輸出電壓值，Bi是i軸陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各軸的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系數(shù)，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系數(shù)(Kxx = Kyy = Kzz = I), ωχ” coyJ、cozJ是陀螺輸入角速率。步驟2 )中MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定的步驟為將三軸M EMS陀螺固定在轉(zhuǎn)臺(tái)平面上，使陀螺的敏感軸指向+Z軸方向，給陀螺加電，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，等待陀螺工作穩(wěn)定后，將陀螺逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°，然后靜止一段時(shí)間，保存從陀螺工作穩(wěn)定到靜止這段時(shí)間的所有數(shù)據(jù)，并記錄采樣時(shí)間，記為t，t為整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程的時(shí)間和靜止時(shí)間的總和；然后，再將陀螺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，保持靜止?fàn)顟B(tài)，保存測(cè)試數(shù)據(jù)并記錄采樣時(shí)間；再將陀螺按_Z、±X和土Y方向放置，重復(fù)以上測(cè)試步驟，記錄6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。根據(jù)步驟2)中的標(biāo)定步驟，順/逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，采集陀螺輸出的電壓量，并對(duì)旋轉(zhuǎn)后簡(jiǎn)化的誤差模型方程兩邊在時(shí)間O t內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組，求解出MEMS陀螺各項(xiàng)誤差系數(shù)的公式如下標(biāo)度因數(shù)計(jì)算公式Si = 1440 / [Jo (Uij — Uh J+l) + Ui(j+2) — Ui(J+3) ) τ](10)固定零偏計(jì)算公式Bi = {5,[￡(Uij 4i/,()+1) + Utum + Ui{j+3))dT]}! At(11)交叉耦合系數(shù)計(jì)算公式Kik = &[￡(% -Ukim ^Uk()+2) -Uk(j+}))dT]/U40(12)加速度敏感性系數(shù)計(jì)算公式Aik = ^,[J0(C/AJ +CZfrc,+1) -irku+2)-Uk(j+3))dT-4co；t]/4gt (13)公式(10) (13)中，i=x、y、z,k=x、y、z,當(dāng)i=z 時(shí),j=l ；i=x 時(shí),j=5 ；i=y 時(shí),j=9,并且在公式(12)中，iデk。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果首先，本發(fā)明利用精密單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置功能，保證了 MEMS陀螺固定平面的水平度和MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)角度的精度，即保證了標(biāo)定的精確性；其次，在MEMS陀螺誤差模型的基礎(chǔ)上，通過6位置12次旋轉(zhuǎn)建立誤差方程，并對(duì)誤差方程進(jìn)行旋轉(zhuǎn)積分解算，可以快速地求解出MEMS陀螺的固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合誤差系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)，提高了標(biāo)定效率。本發(fā)明的方法融合了現(xiàn)有技術(shù)中的兩種主要陀螺標(biāo)定方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)規(guī)避了兩者的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了 MEMS陀螺的高效率、高精度標(biāo)定。


圖I是三軸MEMS陀螺固定在轉(zhuǎn)臺(tái)平面示意圖；圖2是三軸MEMS陀螺六位置12次旋轉(zhuǎn)標(biāo)定方案對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案將三軸MEMS陀螺固定在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，如圖1，首先讓Z軸陀螺的輸入敏感軸指天(+Z方向)，轉(zhuǎn)臺(tái)的位置功能控制轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°，記錄數(shù)據(jù)，再讓轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)過360°，記錄數(shù)據(jù)；然后Z軸陀螺的輸入敏感軸指地(-Z方向)，按同樣的方法測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。隨后，分別按±X、土Y方向放置陀螺，重復(fù)以上步驟和方法，并記錄數(shù)據(jù)。通過上述6個(gè)位置12次旋轉(zhuǎn)，根據(jù)MEMS陀螺的誤差模型，對(duì)模型等式兩邊進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組，求解出MEMS陀螺的固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合誤差系數(shù)、カロ速度敏感性系數(shù)。以下是本發(fā)明方法的詳細(xì)步驟 I、建立MEMS陀螺的誤差模型本方法的標(biāo)定首先要建立三軸MEMS陀螺的誤差模型；MEMS陀螺的誤差模型除了包括固定零偏、交叉耦合誤差、標(biāo)度因數(shù)、隨機(jī)噪聲等參數(shù)，由于MEMS陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，其性能還受到加速度的影響，因此，MEMS陀螺的誤差模型還包含加速度敏感性系數(shù)；本方法的標(biāo)定方案是在常溫情況下進(jìn)行的，不考慮MEMS陀螺的溫度因素，又由于MEMS陀螺的隨機(jī)噪聲對(duì)標(biāo)定的影響很小，可以忽略不計(jì)；因此，MEMS陀螺的誤差模型可以描述為SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω X+Kyi ω y+Kzi ω ζ, (i = χ, y, ζ) (I)其中Si是i軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)，Uij是i軸陀螺第j次旋轉(zhuǎn)的輸出電壓值，Bi是i軸陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各軸的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系數(shù)，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系數(shù)(Kxx = Kyy = Kzz = I), ωχ” coyJ、cozJ是陀螺輸入角速率。 2、MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定的步驟和方法是將三軸MEMS陀螺固定在轉(zhuǎn)臺(tái)平面上，如圖I所示，并使Z軸陀螺的敏感軸指天，即為+Z方向，給陀螺加電，開啟數(shù)據(jù)采集軟件，等待I分鐘讓陀螺工作穩(wěn)定后，利用轉(zhuǎn)臺(tái)的位置功能將陀螺逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°，然后靜止一段時(shí)間，保存從陀螺工作穩(wěn)定到靜止這段時(shí)間的所有數(shù)據(jù)，并記錄采樣時(shí)間，記為t，t為整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程的時(shí)間和靜止時(shí)間的總和，如可以讓總時(shí)間t為IOOs (只要保證總的旋轉(zhuǎn)角度為360°，該時(shí)間可任意規(guī)定)；然后，再將陀螺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，保持靜止?fàn)顟B(tài)，保存測(cè)試數(shù)據(jù)并記錄采樣時(shí)間。再將陀螺按-Ζ、±X和土Y方向放置，重復(fù)以上測(cè)試步驟，記錄6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。標(biāo)定的方案圖如圖2所示。3、MEMS陀螺誤差系數(shù)的計(jì)算不妨先以Z軸方向的第I 4次旋轉(zhuǎn)為例，根據(jù)方程(I)描述的MEMS陀螺誤差模型方程，則可以建立Z軸旋轉(zhuǎn)方向各軸向陀螺的誤差模型，在Z軸旋轉(zhuǎn)方向上，X、Y軸方向無輸入角速率，并且在加速度方面只有重力加速度g影響3個(gè)軸向的陀螺，因此，方程(I)描述的陀螺誤差模型得以簡(jiǎn)化；為了保證模型中各參數(shù)計(jì)算的精確性，必須考慮地球自轉(zhuǎn)角速率 的影響；因此，Z軸旋轉(zhuǎn)方向各軸向陀螺的誤差模型如下

第I 次旋轉(zhuǎn)
權(quán)利要求
1.一種基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，其特征是，包括以下步驟 1)建立MEMS陀螺的誤差模型 建立的誤差模型中包含固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)； 2)對(duì)MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定 將三軸MEMS陀螺固定在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，分別測(cè)試陀螺的輸入敏感軸指向+Z軸、-Z軸、±X軸、土Y軸方向，并且轉(zhuǎn)臺(tái)分別逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°、順時(shí)針轉(zhuǎn)過360°的數(shù)據(jù)，記錄下MEMS陀螺在這6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間； 3)計(jì)算MEMS陀螺誤差系數(shù) 通過對(duì)MEMS陀螺的上述6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化MEMS陀螺的誤差模型，分別得到陀螺旋轉(zhuǎn)后的誤差模型，對(duì)該旋轉(zhuǎn)后的誤差模型等式兩邊進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組，求解出MEMS陀螺的固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，其特征是，步驟I)中建立的MEMS陀螺的誤差模型為 SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω x+Kyi ω y+Kzi ω ζ, (i = χ, y, ζ) (I) 其中Si是i軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)，Uij是i軸陀螺第j次旋轉(zhuǎn)的輸出電壓值， Bi是i軸陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各軸的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系數(shù)，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系數(shù)， xJ> coyj、COzj是陀螺輸入角速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，其特征是，步驟2)中MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定的步驟為 將三軸MEMS陀螺固定在轉(zhuǎn)臺(tái)平面上，使陀螺的敏感軸指向+Z軸方向，給陀螺加電，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，等待陀螺工作穩(wěn)定后，將陀螺逆時(shí)針轉(zhuǎn)過360°，然后靜止一段時(shí)間，保存從陀螺工作穩(wěn)定到靜止這段時(shí)間的所有數(shù)據(jù)，并記錄采樣時(shí)間，記為t，t為整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程的時(shí)間和靜止時(shí)間的總和；然后，再將陀螺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，保持靜止?fàn)顟B(tài)，保存測(cè)試數(shù)據(jù)并記錄采樣時(shí)間；再將陀螺按_Z、±X和土Y方向放置，重復(fù)以上測(cè)試步驟，記錄6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，其特征是，根據(jù)步驟2)中的標(biāo)定步驟，順/逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，采集陀螺輸出的電壓量，并對(duì)旋轉(zhuǎn)后簡(jiǎn)化的誤差模型方程兩邊在時(shí)間O t內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組，求解出MEMS陀螺各項(xiàng)誤差系數(shù)的公式如下 標(biāo)度因數(shù)計(jì)算公式 Si = 1440/[Jo(CTi, -Ul(jn) +UI{J+1) ~UHj^)dT](IU) 固定零偏計(jì)算公式 Bi =供.[JX 沿酬 +UiU+2}+Ui(j+3))dT]}/4t(11) 交叉耦合系數(shù)計(jì)算公式K11 = 5t[Jor(C/i7 -Uk(”n ^ukij^ -Uku+3))dT]/U40(12) 加速度敏感性系數(shù)計(jì)算公式Ak = [J0 (ひ句 + ひA-U十])^h-U+2)-び* +3) M7 -細(xì)ン],^St (13)公式(10) (13)中，i=x、y> z, k=x、y、z,當(dāng) i=z 時(shí)，j=l ；i=x 時(shí)，j=5 ；i=y 時(shí)，j=9,并 且在公式(12)中，i≠k。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)積分標(biāo)定方法，首先建立三軸MEMS陀螺的誤差模型；再將三軸MEMS陀螺固定在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，對(duì)MEMS陀螺六位置旋轉(zhuǎn)標(biāo)定，測(cè)試并記錄MEMS陀螺在這6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間；通過對(duì)MEMS陀螺的上述6個(gè)位置、12次旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化MEMS陀螺的誤差模型，得到陀螺旋轉(zhuǎn)后的誤差模型，對(duì)該旋轉(zhuǎn)后的誤差模型等式兩邊進(jìn)行積分運(yùn)算，建立誤差方程組，求解出MEMS陀螺誤差系數(shù)。本發(fā)明的方法既保證了標(biāo)定的精確性，又可以快速地求解出MEMS陀螺的固定零偏、標(biāo)度因數(shù)、交叉耦合誤差系數(shù)、加速度敏感性系數(shù)，提高了標(biāo)定效率。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102853850SQ20121033251
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者董冀, 周芳, 王曉臣, 鞠莉娜 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心