本發(fā)明涉及微電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種提高陀螺儀測量精度的方法。
背景技術(shù)：
：MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛利用于導(dǎo)航與制導(dǎo)
技術(shù)領(lǐng)域：
。由于陀螺儀的核心敏感元件及其處理電路很容易受到外界因素的影響，例如溫度、電磁、震動(dòng)、重力、濕度、氣壓等外界因素都可能會(huì)影響陀螺儀敏感元件和處理電路的特性，從而影響陀螺儀輸出精度，因此需要借助外界設(shè)備對(duì)其測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。現(xiàn)有的標(biāo)定技術(shù)，主要是通過轉(zhuǎn)臺(tái)、溫箱進(jìn)行速率標(biāo)定和溫度標(biāo)定，通過標(biāo)定得到陀螺儀受溫度影響零位、零偏的變化、標(biāo)度因素和安裝誤差等?，F(xiàn)有的陀螺標(biāo)定因數(shù)的求解方式如下：設(shè)為第j個(gè)輸入角速度時(shí)陀螺儀輸出的平均值，標(biāo)度因數(shù)計(jì)算方法如公式(1)、(2)和(3)所示：Fj‾=1NΣn=1NFjn---(1)]]>F‾r=12(Fs‾+Fe‾)---(2)]]>Fj=Fj‾-F‾r---(3)]]>其中，F(xiàn)j為陀螺儀的輸出角度，F(xiàn)jn為陀螺儀第N個(gè)輸出值，為測試開始陀螺儀輸出的平均值，為測試結(jié)束時(shí)陀螺儀輸出的平均值，為測試中陀螺儀輸出的平均值。建立陀螺儀輸入輸出關(guān)系的線性模型，如公式(4)所示：Fj＝K·Ωij+F0+vj(4)其中，F(xiàn)j是陀螺的輸出角度，K為陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)，Ωij為第j個(gè)輸入 角速度，F(xiàn)0為擬合零位，單位為度每小時(shí)(°/h)，vj是陀螺儀測量噪聲。用最小二乘法求陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)K和擬合零位F0：K=Σj=1MΩij·Fj-1MΣj=1MΩij.Σj=1MFjΣj=1MΩ2ij-1M(Σj=1MΩij)2---(5)]]>F0=1MΣj=1MFj-KMΣj=1MΩij---(6)]]>由于陀螺儀的標(biāo)度因素、零偏、零偏穩(wěn)定性等受溫度，濕度等環(huán)境的影響，每次測量值都不相同或有細(xì)微的變化，因此一次標(biāo)定并不能夠準(zhǔn)確測量陀螺的零偏、標(biāo)度因數(shù)等參數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)必然會(huì)帶來一定的誤差?？傊?，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個(gè)技術(shù)問題就是：如何提高陀螺儀的測量精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，以解決陀螺儀測量精度不高的技術(shù)問題。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，包括：選取陀螺儀構(gòu)建至少兩個(gè)差分對(duì)，所述差分對(duì)中包括一個(gè)正向陀螺儀和一個(gè)反向陀螺儀，所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀分別置于同一轉(zhuǎn)臺(tái)敏感軸的正側(cè)和反側(cè)，使所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀以相同角速率分別正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，使外部信號(hào)對(duì)所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀表現(xiàn)為共模差分信號(hào)；采集正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)；依據(jù)所述正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)，計(jì)算各階擬合系數(shù)；依據(jù)各個(gè)所述各階擬合系數(shù)，計(jì)算各個(gè)所述各階擬合系數(shù)的平均數(shù)；依據(jù)所述平均數(shù)，計(jì)算各階擬合系數(shù)方差；選取所述各階擬合系數(shù)方差最小的差分對(duì)，測量輸入角速度。優(yōu)選地，所述測量輸入角速度w的過程如下所示：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc]]>其中，Nc為高斯白噪聲，Kbd為正向陀螺和反向陀螺儀的環(huán)境系數(shù)比值，Kp為正向陀螺儀的標(biāo)定因數(shù)，Kn為反向陀螺儀的標(biāo)定因數(shù)，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Kpwi表示負(fù)向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Wpi表示正向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，Wni表示負(fù)向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，i＝1，...n，n＝2～7。優(yōu)選地，所述高斯白噪聲Nc的計(jì)算過程如下所示：Nc=N1-Kbd·N2Kp+Kbd·Kn]]>其中，N1為正向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲，N2為負(fù)向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲。優(yōu)選地，所述為正向陀螺和反向陀螺儀的環(huán)境系數(shù)比值Kbd的計(jì)算過程如下所示：Kbd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w)]]>其中，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，Gpj表示正向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出值，Gnj表示負(fù)向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出值，w為測試時(shí)刻的輸入角速度。優(yōu)選地，所述選取陀螺儀構(gòu)建至少兩個(gè)差分對(duì)包括：從相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取陀螺儀構(gòu)建至少兩個(gè)差分對(duì)。優(yōu)選地，所述依據(jù)所述正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)，計(jì)算各階擬合系數(shù)包括：將所述正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)做商，獲得所述各階擬合系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：選取各階擬合系數(shù)方差最小的 差分對(duì)，提高了組成差分陀螺對(duì)的兩個(gè)陀螺儀的相似性，這就把目前難度很大的通過改善陀螺儀加工工藝的方法來提高陀螺儀精度的問題，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陀螺儀精度，提高了陀螺儀的精度。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種提高陀螺儀測量精度的方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的陀螺儀測量角速度裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實(shí)施例一本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于差分MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀的高精度測量方法，以解決陀螺儀測量精度不高的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法包括以下步驟：S101，選取陀螺儀構(gòu)建至少兩個(gè)差分對(duì)，差分對(duì)中包括一個(gè)正向陀螺儀和一個(gè)反向陀螺儀，正向陀螺儀和反向陀螺儀分別置于同一轉(zhuǎn)臺(tái)敏感軸的正側(cè)和反側(cè)，使正向陀螺儀和反向陀螺儀以相同角速率分別正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，使外部信號(hào)對(duì)正向陀螺儀和反向陀螺儀表現(xiàn)為共模差分信號(hào)。在本步驟中，可以從相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取陀螺儀構(gòu)建至少兩個(gè)個(gè)差分對(duì)，每個(gè)差分對(duì)中包括兩個(gè)陀螺儀。例如，從100個(gè)相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取20個(gè)陀螺儀構(gòu)建10個(gè)差分對(duì)，每個(gè)差分對(duì)中包括兩個(gè)陀螺儀。由于相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀的環(huán)境敏感特性比較相似，這樣就滿足了建立差分對(duì)的要求?？梢詫⒉罘謱?duì)中的兩個(gè)陀螺儀分別設(shè)置于同一轉(zhuǎn)臺(tái)的正側(cè)和反側(cè)，使兩個(gè)陀螺儀以相同角速度分別正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)。一般來說，轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面向上的方向?yàn)檎齻?cè)，轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面向下的方向?yàn)榉磦?cè)；設(shè)置于轉(zhuǎn)臺(tái)正側(cè)的陀螺儀可以稱為正向陀螺儀，設(shè)置于轉(zhuǎn)臺(tái)反側(cè)的陀螺儀可以稱為反向陀螺儀。S102，采集正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)，依據(jù)正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)，計(jì)算各階擬合系數(shù)。在本步驟中，可以將正向陀螺儀的各階系數(shù)和反向陀螺儀的各階系數(shù)做商，獲得各階擬合系數(shù)。各階擬合系數(shù)可以包括陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)、溫度漂移系數(shù)和安裝誤差系數(shù)。步驟S103，依據(jù)各個(gè)各階擬合系數(shù)，計(jì)算各個(gè)各階擬合系數(shù)的平均數(shù)。在本步驟中，可以將各個(gè)各階擬合系數(shù)進(jìn)行累加，再除以各階擬合系數(shù)的數(shù)量，以獲得各個(gè)各階擬合系數(shù)的平均數(shù)。例如，差分對(duì)1的各階擬合系數(shù)為0.7，差分對(duì)2的各階擬合系數(shù)為1，差分對(duì)3的各階擬合系數(shù)為1.1，則各個(gè)各階擬合系數(shù)的平均數(shù)為0.93。步驟S104，依據(jù)平均數(shù)，計(jì)算各階擬合系數(shù)方差。在本步驟中，可以依據(jù)(xi-M)2計(jì)算各階擬合系數(shù)方差，其中xi為差分對(duì)i的個(gè)階擬合系數(shù)，i為大于等于2的正整數(shù)，M為各個(gè)差分對(duì)的各階擬合系數(shù)平均值。例如，差分對(duì)1的各階擬合系數(shù)為0.7，差分對(duì)2的各階擬合系數(shù)為1，差分對(duì)3的各階擬合系數(shù)為1.1，則各個(gè)各階擬合系數(shù)的平均數(shù)為0.93。則差分對(duì)1的各階擬合系數(shù)方差為0.0529，差分對(duì)2的各階擬合系數(shù)方 差為0.0049，差分對(duì)2的各階擬合系數(shù)方差為0.0729。S105，選取各階擬合系數(shù)方差最小的差分對(duì)，測量輸入角速度。在本步驟中，各階擬合系數(shù)方差越小的差分對(duì)中的兩個(gè)陀螺儀的相似性最為接近。測量輸入角速度w的過程如下所示：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc]]>其中，Nc為高斯白噪聲，Kbd為正向陀螺和反向陀螺儀的環(huán)境系數(shù)比值，Kp為正向陀螺儀的標(biāo)定因數(shù)，Kn為反向陀螺儀的標(biāo)定因數(shù)，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Knwi表示負(fù)向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Wpi表示正向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，Wni表示負(fù)向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，i＝1，...n，n＝2～7。通過本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，選取各階擬合系數(shù)方差最小的差分對(duì)，提高了組成差分陀螺對(duì)的兩個(gè)陀螺儀的相似性，這就把目前難度很大的通過改善陀螺儀加工工藝的方法來提高陀螺儀精度的問題，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陀螺儀的問題，提高了陀螺儀的精度。為進(jìn)一步提高測量角速度的精度，可以將不同量程的陀螺儀混合使用測量角速度，例如，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可以使用大量程的陀螺儀測量角速度；轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可以使用小量程的陀螺儀測量角速度。通過對(duì)載體角速度的判斷，在不同量程的陀螺之間進(jìn)行切換，兼顧陀螺測量精度和范圍的問題，減少了小量程陀螺在使用過程中經(jīng)常會(huì)遇見的過載情況，提高陀螺的抗過載能力。實(shí)施例二本發(fā)明實(shí)施例二提供了測量輸入角速度w的具體推導(dǎo)過程。根據(jù)陀螺儀的工作原理和測試原理，可得出陀螺儀的輸出值G與輸入角速度ω之間的關(guān)系式，將輸出值G和可以測試、標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)膎個(gè)確定性誤差項(xiàng)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? 確定性誤差項(xiàng)和噪聲項(xiàng)放在等式的右邊，則陀螺儀的輸出值G與輸入角速度ω之間的關(guān)系式如公式(7)所示：G-Σi=1nKwi·Wi=K·w+Kd·D+N---(7)]]>其中，G為陀螺儀的輸出值，Kwi是第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，i＝1,...,n；Wi是第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，i＝1,...,n，n＝2～7，K為陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)，Kd是不確定性總誤差系數(shù)；D測試時(shí)刻的不確定誤差量的總和；N為測量噪聲。如圖2所示，當(dāng)沿著被測轉(zhuǎn)動(dòng)軸Z有一個(gè)輸入角速度w時(shí)，則正向陀螺儀1的敏感軸OA1測量到的輸入角速度為+w，而負(fù)向陀螺儀2的敏感軸OA2測量到的輸入角速度為-w。為了區(qū)別兩個(gè)陀螺儀的參數(shù)，可以給正向陀螺儀參數(shù)標(biāo)注下標(biāo)p，給負(fù)向陀螺儀參數(shù)標(biāo)注下標(biāo)n。則根據(jù)公式(7)得出正向陀螺儀的輸入輸出關(guān)系如公式(8)所示：Gp-Σi=1nKpwi·Wpi=Kp·w+KpdD1+N1---(8)]]>其中，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Wpi表示正向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，，i＝1，...n，n＝2～7，N1為正向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲，D1為正向陀螺儀不確定性誤差總量，Kpd為正向陀螺儀環(huán)境系數(shù)。根據(jù)公式(7)得負(fù)向陀螺儀的輸入輸出關(guān)系如公式(9)所示：Gn-Σi=1nKnwi·Wni=Kn·(-w)+KndD2+N2---(9)]]>其中，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Knwi表示負(fù)向陀螺儀第i個(gè)采樣點(diǎn)的確定性誤差項(xiàng)系數(shù)，Wni表示負(fù)向陀螺儀測試時(shí)刻第i個(gè)確定性誤差項(xiàng)，，i＝1，...n，n＝2～7，N2為負(fù)向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲，D2為反向陀螺儀不確定性誤差總量，Knd為反向陀螺儀環(huán)境系數(shù)?？梢栽谝阎斎虢撬俣葁下，取一段時(shí)間內(nèi)m個(gè)數(shù)據(jù)做平均，以消除噪聲N的影響，由(8)和(9)可得：K‾pd=1mΣj=1mKpd·Dp=1mΣj=1m(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w-N1)---(10)]]>K‾nd=1mΣj=1mKnd·Dn=1mΣj=1m(Gn-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w-N2)---(11)]]>相反方向上的兩個(gè)陀螺的環(huán)境系數(shù)比值Kbd為：Kbd=KpdKnd≈K‾pdK‾nd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w-N1)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi-Kni·w-N2)---(12)]]>其中，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，Gpj表示正向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出值，Gnj表示負(fù)向陀螺儀第j個(gè)采樣點(diǎn)的輸出值，w為測試時(shí)刻的輸入角速度。假設(shè)量測噪聲為白噪聲，則其數(shù)學(xué)期望值為零，則相反方向上的兩個(gè)陀螺的環(huán)境系數(shù)比值Kbd為：Kbd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w)---(13)]]>將公式(8)減去公式(9)，并且兩端同時(shí)乘以Kbd，則可以獲得以下公式(14)：(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)=(Kp+Kbd·Kn)·w+(Kpd-Kbd·Knd)·D+(N1-Kbd·N2)---(14)]]>因?yàn)镵pd＝Kbd·Knd，則可以獲得以下公式(15)：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)-(N1-Kbd·N2)Kp+Kbd·Kn---(15)]]>陀螺儀的量測噪聲一般為高斯白噪聲Nc：Nc=N1-Kbd·N2Kp+Kbd·Kn---(16)]]>其中，N1為正向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲，N2為負(fù)向陀螺儀測試時(shí)的測量噪聲。將公式(16)帶入公式(15)，則輸入角速度w的實(shí)時(shí)解算公式化簡為 公式(17)：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc---(17).]]>本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其與方法實(shí)施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。當(dāng)前第1頁1 2 3