基于GUI的MEMS大量程陀螺仪快速标定设计*

张 慧 ，李 杰 ，2*，秦 丽 ，2，刘 俊 ，2，王一焕

（1.中北大学仪器与电子学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051）

随着现代科技的迅速发展，陀螺仪的种类也越来越多，同时惯性系统对其精度指标的要求也越来越高。在惯性导航系统中，陀螺仪是影响整个系统解算精度的关键因数。因此怎么来鉴定以及用什么样的设备来鉴定陀螺仪的各项指标，以及其技术性能便成为非常重要、迫切需要解决的问题［1-3］。目前使用的测试设备和测试方法具有一定的局限性，因为它们只能模拟陀螺仪的部分工作条件，例如三轴位置速率转台对微机电陀螺仪的标定，转台的转速只能达到几百度每秒，对于大量程的陀螺微乎其微，因此，为了实现大量程陀螺的标定，设计一种新的标定模式。文中给出一种标定大量程陀螺仪的新方法。在地面建立标定系统，对陀螺仪进行标定流程，结合陀螺仪的输出信号建立陀螺仪的数学输出模型［4］。最后运用输出结果进行验证。该方法简洁方便，可用于大量程陀螺仪的快速标定。

1 系统原理

系统结构如图1所示，主要由标定设备和上位机组成，上位机控制电机按事先设置的程序运行。标定设备把数据通过实时传给上位机，上位机进行数据分离及数据计算，然后分析数据得到陀螺仪的各项参数。

图1 系统结构模块框图

标定系统的工作原理如图2所示，首先将MEMS陀螺仪安装在转子平台上，并连接滑环，实现信号传输，通过上位机控制电机转动，MEMS陀螺仪必须安装在正中间的位置，以提高他的同轴度［5］。

图2 标定系统工作原理图

转动平台采用的是3564K024BCS直流无刷伺服电动机，该电机体积小，出力大，响应快，速度高，转动平滑，力矩稳定容易实现智能化控制，分辨率可达1/3 000圈，速率精度为±5×10-4。可以编程上位机直接输出信号控制。驱动器和计算机或其它上位机采用零调制解调电缆连接，同时注意电缆的TxD和RxD端必须交叉。

图3 串口连接图

指令字由英文字母组成；可选的参数为数字；指令以回车符CR（ASCII码的十进制代码为13）作为结束。指令不区分字母的大小写，空格（若夹杂的有）将被忽略。

［节点地址］指令字 ［参数］回车符CR

例如要以500 rpm的转速驱动电机，则需上位机发送指令：V500［CR］。

MEMS陀螺仪输出的是模拟信号，故需要经过模数转换，此处用到的是ADS8365芯片，用Xilinx公司生产的XC2S100FPGA作为核心控制芯片，对陀螺的信号进行采集并发送，XC2S100通过模拟RS485串行通讯协议发送AD转换后的数字信号，然后通过滑环传到上位机中［6-8］。

采用大量程MEMS陀螺仪作为转速测量的传感器，16位高速同步模数转换芯片ADS8365对陀螺仪输出电压进行采集并转换，高速数字信号处理器TMS320F2812作为控制器对转换后的数据进行处理，以此得到载体的转速。

XC2S100通过RS232串行通讯接口接收的数字量按照一定的编码方式编制成一定的帧格式传到上位机，这样有助于在PC机上进行数据分离以及数据查看，上位机读取并保存数据后，把数据中无关的信息去除，就可以分离得到陀螺仪的模拟数字量。其数据帧格式如图4所示［9］。

图4 数据帧格式

数据帧格式中，第一和第二位为帧头，由于识别每一帧的开始，第三到第五位是计数帧，计数帧若有丢失，则计数帧会有跳变；第六到第八为为数据位，也就是陀螺仪的数据，第八位是高位，第七位是低位，第六位是通道标号，可不做处理。数据以十六进制的格式保存，在分离前，对其进行处理。

通过上式，就可以把数据分离成模拟电压值。

2 陀螺性能测试

当转台转动时，带动陀螺转动，陀螺内部的质量块收到哥氏加速度，使其上下振动，此时质量块和极板之间的电压也发生变化，从而输出响应的电压，陀螺的输出电压与所测量角速度呈近似线性关系［10］，通过输入角速度与输出电压，拟合陀螺输出电压与转速的关系曲线；求取曲线的零点与斜率，即陀螺的标度因数与零点电压，通过进一步处理数据可以得到陀螺的灵敏度、零偏、非线性、静止时输出噪音、最小分辨率［11］。将大量程陀螺及数据采集存储电路安装在与电机相配合的内筒结构上，设置电机不同的转速。这里以20 r/s的MEMS陀螺仪作为标定器件，为了测量精度的精准，设置多组正负对应转速，进行一次拟合。转速如下（单位：°/s）：

3 上位机GUI设计

上位机主要由三部分组成，第一部分为电机指令发送部分，通过串口给电机发送指令，控制电机以下面的转速进行旋转。第二部分是串口接收数据区，对陀螺的数据进行显示及保存。第三部分是数据处理部分，也是上位机的核心部分，首先是数据分离，对分离的数据进行作图，从而取出每一个转速下对应的区间，对区间内的数求均值，得到的平均电压值，然后运用Matlab的拟合函数，进行一次拟合，得到陀螺转速与电压之间的线性关系，零点和斜率就是陀螺的零点和标度因数。图5为设计的GUI界面。

图5 GUI界面图

从接受区可以看到帧数据的准确性，没有丢失的数据，可以判断出数据的完整性。右侧的图形显示区域显示的是原始的标定数据，在不同的转速下对应不同的反馈值。

4 数据分析

①通过对陀螺仪的输出数据进行取点求均值处理，得到如下表的数据：

表1 不同转速下对应的陀螺输出电压

标度因数反应的是陀螺输出数据与外部输入角速率作用下的变化情况，它是陀螺仪的重要指标。对输出的数据进行最小二乘拟合处理，得到它的标定因数和零点，它的拟合曲线如图6所示，数据拟合图的横坐标为转速（°/s），纵坐标为陀螺输出电压值（V）。根据陀螺实际输出和拟合直线的残差最大值与满量程输出的百分百计算其线性度。

公式中，ΔYmax为最大残差，YFS为满量程输出。

通过图6数据分析可知，该陀螺仪的标度因数为0.285 675 4×10-3V/（°/s），零点电压为2.498 104 251 V，它的非线性误差小于0.01%FS。

图6 拟合曲线

②分辨率表示在输入角速率下能敏感到的最小角输入增量，是陀螺仪灵敏度的重要指标之一［12］，根据国标的规定，分辨率对应的速率引起的陀螺仪输出电压的增量ΔF要大于拟合后标度因数所对应的陀螺输出电压增量ΔF^i的50%，即：

分辨率的计算公式为：

对陀螺仪做如下不同转速，对ΔF和ΔF^i的值进行比较见表2。

表2

通过数据分析可得，该陀螺仪的分辨率为0.5°/s。为了验证结论，同时更精确的测量，对比陀螺在转速10°/s的转速下的输出值和在此基础上不同变换值的电压增量陀螺数据。

表3 分辨率验证

实验结果表明陀螺仪的分辨率小于等于0.5 °/s。

③图7为陀螺仪在室温下测得的无角速率输入下的输出值。从陀螺仪输出数据可知陀螺静止时的噪声小于140°/s。

图7 零速率输入数据图

④陀螺的零偏稳定性是陀螺仪测试的重要测试项目，对陀螺仪的解算补偿有着很大的作用。当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。将陀螺仪安装在标定设备台面中心，使其敏感轴与转动轴平行，在室温下进行测试。将陀螺仪上电，静止采集60 min，取后30 min数据，用Matlab对采集的原始数据进行处理，剔除掉无效数据点后按如下公式计算零位稳定性：

通过对陀螺静止采集数据，后分离求标准差得到陀螺的零偏稳定性小于4 326.1°/h，角度随机游走系数为。

5 结语

准确的惯性器件标定结果是确保惯性导航的关键因素，本文提出了快速标定大量程陀螺仪的设备，该设备通过上位机精确控制无刷直流伺服电机的转动，对20 r/s的MEMS陀螺仪进行了标定，得到了标度因数的参数。实验结果表明，该标定设备能够简单快速准确标定大量程的陀螺仪，能够满足MEMS陀螺仪标定需求，具有较强的应用价值。

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