一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償方法，步驟包括：合理選擇標度因數(shù)非線性的補償位置，根據(jù)輸入輸出關系建立標度因數(shù)補償和輸出補償模型；在?40℃～+60℃內(nèi)進行全溫實驗并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算高、低、常溫標度因數(shù)，按照補償模型進行標度因數(shù)的分段溫度補償，分段情況為?40℃～+20℃和+20℃～+60℃，可根據(jù)實際情況調(diào)整分段方式；在關鍵溫度點下選取關鍵轉(zhuǎn)速點測量輸出，根據(jù)測量數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合轉(zhuǎn)速與陀螺輸出直線，即標度因數(shù)直線；計算擬合直線與陀螺儀實際輸出的差值得到擬合殘差，根據(jù)擬合殘差對轉(zhuǎn)速做分段處理后基于補償模型補償硅微陀螺儀標度因數(shù)線性度。
【專利說明】
一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及陀螺儀轉(zhuǎn)速測量領域，特別是涉及一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字 補償方法。
【背景技術】
[0002] 隨著MEMS慣性技術的發(fā)展，硅微陀螺儀越來越成為國內(nèi)外研究的熱點。與傳統(tǒng)的 陀螺儀相比硅微陀螺儀具有成本低、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高及便于智能化的特 點。法國THALES公司研制出一款新型線性雙質(zhì)量結(jié)構(gòu)硅微陀螺儀帶寬為300Hz，零偏穩(wěn)定性 為〈0.1°/h，其量程較大達到±1000°/s。德國LITEF GmbH公司提出一種新型雙質(zhì)量陀螺結(jié) 構(gòu)以適應較高精度應用領域的要求，其零偏穩(wěn)定性為0.12°/h，量程為±1000°/s。為提高陀 螺儀的測量精度擴大使用范圍，拓展硅微陀螺儀的量程成為一項關鍵技術。
[0003] 硅微陀螺儀比較熱門的技術研究主要為陀螺儀的測控電路、溫度補償?shù)?，對于?程拓展技術及由此帶來的非線性補償技術研究較邊緣化。硅微陀螺儀量程擴大后會引起標 度因數(shù)線性度的惡化，進而會引起硅微陀螺儀測量精度變低，因此有必要對大量程下的標 度因數(shù)線性度進行補償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種非線性數(shù)字補償方法，能夠解 決硅微陀螺儀量程增大后標度因數(shù)線性度惡化的問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明公開了一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償方 法，包括如下步驟:步驟1，選擇硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償點，補償點包括標度因數(shù)溫度補 償點和輸出補償點，并建立標度因數(shù)溫度補償模型與標度因數(shù)溫度補償點的電路以及輸出 補償模型與輸出補償點的電路，
[0006] 步驟2，對硅微陀螺儀進行全溫實驗，溫度范圍為-40°C~+60°C，并計算硅微陀螺 儀分別在+60°C、+20°C、-40°C三個溫度處的標度因數(shù)，以+60°C時的標度因數(shù)為基準，根據(jù) 溫度與頻率、頻率與標度因數(shù)的正比關系分段擬合并補償標度因數(shù)，提高其溫度穩(wěn)定性；
[0007] 步驟3,在全溫范圍內(nèi)對溫度分段，在固定溫度段內(nèi)選擇關鍵轉(zhuǎn)速測量點測量對應 輸出，并利用matlab擬合出轉(zhuǎn)速與對應的輸出的電壓的直線，其斜率即為標度因數(shù)，將擬合 直線的值與實際值做差計算關鍵轉(zhuǎn)速測量點的擬合殘差，按照擬合殘差的值做轉(zhuǎn)速分段， 在最后輸出位置利用AD模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換采集到輸出的值估算轉(zhuǎn)速的大概值，確定被測轉(zhuǎn)速所 在的轉(zhuǎn)速段后進行輸出補償，根據(jù)擬合殘差的值確定輸出補償量。
[0008] 步驟1中所述標度因數(shù)溫度補償模型包括數(shù)字補償控制器模塊和測試與補償電路 模塊，標度因數(shù)溫度補償模型如下式所示：
[0010]其中，Va為補償點處電壓，Vref為參考電壓，Vc- cf為數(shù)字補償控制器模塊控制的電壓 補償量，R2、R3^R4為電阻的阻值。
[0011]溫度i陀螺諧振頻率成正比，溫度可用諧振頻率等效替換，根據(jù)實驗可知溫度和 標度因數(shù)呈現(xiàn)出分段正比，即在溫度段為-40°C-+20°C和+20°C-+60°C分別近似為正比關 系，因此通過如下公式計算電壓補償量Vc^f:
[0013] 其中A n_h、A ^分別為常溫到高溫的標度因數(shù)變化量和低溫到高溫的標度因數(shù)變 化量;f為補償所處溫度點的硅微陀螺儀諧振頻率，f+6〇、f +2〇、f-4〇分別為+60 °C、+20 °C、-40 °C 時對應的陀螺諧振頻率。硅微陀螺諧振頻率可通過數(shù)字控制器檢測。
[0014] 步驟1中所述輸出補償模型包括溫度測量模塊、控制器控制處理模塊、輸出補償模 塊和轉(zhuǎn)速估測模塊，輸出補償模型如下式所示：
[0016] Vo為輸出電壓，Vi為檢測電壓，Vc^o為根據(jù)擬合殘差確定的輸出電壓的補償量，輸出 補償量根據(jù)步驟3中的實驗方法確定。R1為電阻的阻值。
[0017]有益效果：本發(fā)明方法有如下優(yōu)點：（1)合理選擇補償位置，可使補償模型簡單； (2)根據(jù)實驗計算擬合殘差可以容易適應陀螺的個體差異，提高適用性；（3)溫度范圍內(nèi)的 標度因數(shù)補償實現(xiàn)對非線性的粗補償，而后根據(jù)擬合殘差做轉(zhuǎn)速分段可以提高補償?shù)暮侠?性，兩種方法相結(jié)合可達到有效補償標度因數(shù)補償?shù)哪康?。通過上述方式，本發(fā)明能夠有效 改善硅微陀螺儀的標度因數(shù)非線性，特別是在增大量程時，可以提高陀螺儀的檢測精度。
【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做更進一步的具體說明，本發(fā)明的上述 和/或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
[0019] 圖1是本發(fā)明補償方法的原理示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的標度因數(shù)溫度補償模型示意圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明的標度因數(shù)溫度補償點的電路圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明的輸出補償模型示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明的輸出補償點的電路圖。
[0024] 圖6是本發(fā)明硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償?shù)牧鞒虉D。
【具體實施方式】
[0025] 圖1為本發(fā)明的原理示意圖。按照補償?shù)男枰硕纫驍?shù)的溫度補償模型和輸 出補償模型。標度因數(shù)補償模型為：
[0027] Va為補償點處電壓，Vrrf為參考電壓，Vd為數(shù)字補償控制器模塊控制的電壓補償 量。溫度和陀螺諧振頻率成正比，溫度可用諧振頻率等效替換，并以高溫為基準，并分段計 算補償量VMf為：
[0029] 其中A n_h、A ^分別為常溫到高溫和低溫到高溫的標度因數(shù)變化量。
[0030] 輸出補償模型為：
[0032] Vo為輸出電壓，Vi檢測電壓，V。-。為根據(jù)擬合殘差確定的輸出電壓的補償量。
[0033] 圖2和圖3分別為標度因數(shù)溫度補償模型示意圖和標度因數(shù)溫度補償點的電路圖， 標度因數(shù)溫度補償包括數(shù)字補償控制器模塊201和測試與補償電路模塊202,如圖3所示，補 償點處電壓V a電阻R4連接運算放大器的負輸入端，數(shù)字補償控制器模塊控制的電壓補償量 經(jīng)電阻R2連接運算放大器的負輸入端，參考電壓Vref經(jīng)電阻R3連接運算放大器的負輸 入端，運算放大器的正輸入端接地，電阻R1與電容C1串聯(lián)后與電容C2并聯(lián)，該并聯(lián)電路的一 端連接運算放大器的負輸入端，另一端與運算放大器的輸出端連接作為該標度因數(shù)溫度補 償點的電路的輸出端。標度因數(shù)溫度補償點電路301處電阻R2、R4為比例電阻，可根據(jù)需要 調(diào)整以滿足數(shù)字輸出的要求。
[0034] 圖4和圖5分別為輸出補償模型示意圖和輸出補償點的電路圖。輸出補償模型包括 溫度測量模塊401、控制器控制處理模塊402、輸出補償模塊403、轉(zhuǎn)速估測模塊404。
[0035] 如圖5所示，輸出補償電路501實質(zhì)是為一個加法器。檢測電壓V:經(jīng)電阻R1和電阻 R2連接運算放大器的負輸入端，電阻R1和電阻R2之間引出一端經(jīng)電容C1接地，根據(jù)擬合殘 差確定的輸出電壓的補償量Vc-o經(jīng)電阻R4和電阻R3連接至運算放大器的輸出端，Vo為輸出 電壓，電阻R4和電阻R3之間引出一端分別連接電阻R1、電阻R2和電容C1，電阻R3與運算放大 器的輸出端之間引出一端經(jīng)電容C2連接運算放大器的負輸入端，運算放大器的正輸入端接 地。
[0036]選取硅微陀螺儀系統(tǒng)進行全溫實驗，溫度范圍為-40°C~+60 °C，并計算硅微陀螺 儀在高低溫和常溫+60°(：、+20°(：、-40°(：三個關鍵溫度處的標度因數(shù)，而后以+60°(：的標度因 數(shù)為基準，按照補償模型分段擬合補償，通過控制器和DA轉(zhuǎn)換輸出。
[0037] 在全溫范圍內(nèi)對溫度分段，在固定溫度段內(nèi)選擇關鍵轉(zhuǎn)速測量點測量對應輸出， 并利用matlab擬合出轉(zhuǎn)速與對應的輸出的電壓的直線，其斜率即為標度因數(shù)，而后將擬合 直線的值與實際值做差計算關鍵轉(zhuǎn)速點的擬合殘差，按照擬合殘差的值做轉(zhuǎn)速分段并確定 補償量。在最后輸出位置利用AD轉(zhuǎn)換采集到輸出的值估算轉(zhuǎn)速的大概值，確定被測轉(zhuǎn)速所 在的轉(zhuǎn)速段后進行輸出補償。所述發(fā)明的實驗流程圖為圖6所示。
[0038] 以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技 術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種大量程硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，選擇硅微陀螺儀非線性數(shù)字補償點，補償點包括標度因數(shù)溫度補償點和輸出補 償點，并建立標度因數(shù)溫度補償模型與標度因數(shù)溫度補償點的電路以及輸出補償模型與輸 出補償點的電路， 步驟2,對硅微陀螺儀進行全溫實驗，溫度范圍為-40°C~+60°C，并計算硅微陀螺儀分 別在+60 °C、+20 °C、-40 °C三個溫度處的標度因數(shù)，以+60 °C時的標度因數(shù)為基準，根據(jù)溫度 與頻率、頻率與標度因數(shù)的正比關系分段擬合并補償標度因數(shù)，提高其溫度穩(wěn)定性； 步驟3,在全溫范圍內(nèi)對溫度分段，在固定溫度段內(nèi)選擇關鍵轉(zhuǎn)速測量點測量對應輸 出，并擬合出轉(zhuǎn)速與對應的輸出的電壓的直線，其斜率即為標度因數(shù)，將擬合直線的值與實 際值做差計算關鍵轉(zhuǎn)速測量點的擬合殘差，按照擬合殘差的值做轉(zhuǎn)速分段，在最后輸出位 置利用AD模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換采集到輸出的值估算轉(zhuǎn)速的大概值，確定被測轉(zhuǎn)速所在的轉(zhuǎn)速段后 進行輸出補償，根據(jù)擬合殘差的值確定輸出補償量。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1中所述標度因數(shù)溫度補償模型包括數(shù) 字補償控制器模塊和測試與補償電路模塊，標度因數(shù)溫度補償模型如下式所示：其中，va為補償點處電壓，Vrrf為參考電壓，VMf為數(shù)字補償控制器模塊控制的電壓補償 量，R2、R3、R4為電阻的阻值。3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過如下公式計算電壓補償量VMf:其中A n_h、A 分別為常溫到高溫的標度因數(shù)變化量和低溫到高溫的標度因數(shù)變化 量;f為補償所處溫度點的硅微陀螺儀諧振頻率，f+6〇、f+2〇、f-4〇分別為+60 °C、+20 °C、-40 °C時 對應的陀螺諧振頻率。4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟1中所述輸出補償模型包括溫度測量模 塊、控制器控制處理模塊、輸出補償模塊和轉(zhuǎn)速估測模塊，輸出補償模型如下式所示：Vo為輸出電壓，Vi為檢測電壓，V。-。為根據(jù)擬合殘差確定的輸出電壓的補償量，R1為電阻 的阻值。
【文檔編號】G01C19/5776GK106052668SQ201610384173
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】李宏生, 余億田, 丁徐鍇, 邵安成, 黃麗斌
【申請人】東南大學