基于微惯性导航系统的MEMS陀螺的应用研究

朱晓淼

摘 要：惯性导航系统最大的优点就是能够不依靠外界信息的基础上展开长时间的自主导航，目前该类技术也逐渐成熟，其精度较高。本文主要探讨研究了基于微惯性导航系统的MEMS陀螺误差补偿方法，以期更好地满足社会发展的需要。

关键词：微惯性;导航系统;MEMS陀螺误差补偿

中图分类号： TP212.9            文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2017）01-153-2

1  基于MEMS的微惯导系统

目前，微惯性导航系统在汽车工程、航空航天、通信工程等方面展开了广泛的利用，和传统惯导系统相比而言，基于MEMS技术的惯导系统有着较多的优势，同时也在不断地发展[1]。如今惯性技术显然成为了微惯性导航系统的一个发展新方向，一般涉及了数据处理单元、微惯性测量单元、导航计算机三方面。其中温度传感器、三个正交放置的MEMS陀螺仪以及MEMS加速度计构成了微惯性测量单元，此时的加速度计、陀螺仪二者的空间坐标系需要相同，在数据处理的基础上把MIMU单元中加速度计、陀螺仪的输出输送至导航计算机内，完成导航解算，对速度、位置、姿态等相关信息进行输出。

2  MEMS陀螺仪概述

微机械系统作为一种在微加工技术、集成电路技术的基础上，把微传感器、微结构、控制电路这三者有机地集成于一个较小的芯片中。现如今，我国的科学技术水平正在突飞猛进地发展，尤其近几年来我国的微电子技术、微型制造技术得到了大力的改进、发展，在一定程度上推动了MEMS系统的产生、发展。微机械系统正是由于其自身独特的加工技术、制造工艺，给MEMS系统带来诸多的优点，主要包括了集成化、质量轻、微型化、成本低等。MEMS陀螺仪严格按照MEMS技术进行制造，最大的优势就是其独特的工作原理。传统的光学陀螺，一般包括了光纤、激光陀螺仪等，主要是在光的Sagnac效应的前提下来对转动角速度变化展开计算的[2]。传统的力学陀螺，主要包括了液浮式、静电式陀螺仪等，应用的是力学特性来对角度变化情况进行测量，其工作原理主要是依据物理学中的角动量守恒定理来进行的。而MEMS陀螺仪是以MEMS技术为前提的，即主要是在科里奥利效应、经典力学基础上进行的，传统的陀螺仪是难以和现代MEMS陀螺仪相比拟的，因此MEMS陀螺仪得到了广泛的使用。正是因为MEMS陀螺仪的工作原理是基于哥氏效应展开的，其产生的大小一般是和输入角速度、振动速度两者的乘积成正比的哥氏力，在对哥氏力的方向、大小进行检测的基础上，能够最大程度上得到输入角速度的信息，其质量块因为受到力的影响，通常进行的是绕中心轴转动运动以及振动运动。如图1所示，为框架式MEMS陀螺仪示意图，围绕着框架式MEMS陀螺仪示意图简单介绍框架式MEMS陀螺的原理、结构。框架式MEMS陀螺仪主要是通过外、内两个正交框架组合而成，其中还包括了检测、基座的质量块。该两个框架为检测框架、驱动框架，在外框架两边设立了激振电极，内框架两侧设置读取电极，固定该四个电极相对陀螺仪壳体位置，其中内框架组、检测质量块有机结合而成一个整体，外框架和基座、内框架在挠性杆的基础上进行连接。一旦加上相位相反的交变电压于两个激励电极上，此时的外框架会由于产生交变静电力进而出现力矩作用，从而导致绕驱动轴做角振动运动的情况，另一方面，质量块上的各点也是进行线振动运动。若是基座绕输入轴在惯性空间凭借角速度是ω来进行转动时，在各个质点上会出现哥式加速度，发生哥氏惯性力，而该惯性力会出现绕输出轴的哥氏力矩，同时在这个力矩的影响下，造成内框架绕输出轴行角振动，输入角速度的大小其实就是振幅正比，相位是通过输入角速度的方向决定的，致使内框架之间距离、两个读取电极依据一定的振动规律进行改变，进而产生电容变化。同时电容的变化值的基础上，就能对输出的电压信号进行计算。

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图1  框架式MEMS陀螺仪示意图

3  基于MEMS的微惯导系统工作原理

微惯性导航系统的工作原理是在陀螺仪、加速度计输出信息的基础上，获得运载体的速度、位置、姿态等相关的导航信息。加速度计输出的是b系也就是载体坐标系下的比力fb，通过t系即转换变为地理坐标系下的比力ft，把比力ft通过一次积分获得t系下载体的速度，由二次积分计算出载体的位置。陀螺仪输出的是b系也就是载体坐标系下的角速度wbib信息，对姿态矩阵进行更新，在姿态矩阵计算的基础上，得到运载体的方向、航向等信息。加速度计、陀螺仪精度的大小影响着微惯导系统定位的精度，一般惯性器件产生的误差和其精度成负相关的关系。

4  MEMS陀螺仪的随机误差补偿方法

无线性规律、慢时变是MEMS陀螺仪随机漂移误差最为主要的特点，不是简单的数学模型就能进行描述的。通常在惯导系统中，一旦MEMS陀螺仪精度不高，就会造成输出的信号存在大量的随机漂移误差，严重制约着导航系统的精度，所以，科学合理的辨识、补偿MEMS陀螺仪的随机漂移误差是一件具有关键的研究意义。现如今，通常应用以下三类手段对MEMS陀螺仪的精度进行改善：

首先就是应用温控装置，科学补偿由于温度变化而造成的MEMS陀螺仪误差，缓解因为温度对MEMS陀螺仪精度带来的不良后果;

其次就是由陀螺仪的自身结构着手，大力应用先进的生产材料、工艺技术，缓和由于陀螺仪结构对精度造成的影响， 然而该类方法需要的时间较长，所需要的经费很高，难以有效达到改善制作工艺的目的。

最后就是应用软件的手段构建一定的数学模型，补偿MEMS陀螺仪误差， 强化MEMS陀螺仪的精度，这种方法最大的优势就是时间短、效果好、成本低。一般情况下，主要涉及了三种模型结构，即AR、ARMA、MA。在该种方法的基础上能够在短时间内获得MEMS陀螺仪相关的随机误差模型，但是该种方式最大的不足就是需要将陀螺仪输出的数据进行正态化、平稳化、零均值处理，进而影响陀螺仪建模的实际精度，该类方法所需要的建模精度较高，注定该方法只能应用于较为平稳的随机序列建模中[3]。目前应用较为广泛的是功率谱密度分析法，简称为PSD，实际上就是一种频域分析的手段，通常情况下，不同的随机误差需要不同的功率谱密度来对各误差项进行辨识。其中随着傅里叶的变换小波变换是也抓紧发展起来，作为一种信号分析、处理的手段，能够在一定的频域、时域中同时详细表征信号。在对陀螺仪的随机误差信号具体的处理过程中，小波去噪的方法可以有效地削弱随机误差给陀螺仪精度带来的不良影响。

5  结语

综上所述，怎样在MEMS陀螺仪的随机误差的基础上，构建一个合理科学的模型以及进行补偿，俨然成为了增强MEMS陀螺仪精度的一个关键措施之一，也成为了精度定位、优化微惯导系统导航的一个新方向。

参 考 文 献

[1] 孟璇璇.基于MEMS的捷联惯导系统误差分析与补偿研究[D].上海交通大学，2005.

[2] 李荣冰，杭义军，孙永荣，等.高性能微型惯性姿态系统的设计、集成与试验研究[C].惯性技术发展动态发展方向研讨会，2011.

[3] 杜瑾，李杰，冯凯强，等.多项式拟合在MEMS陀螺仪零点随机漂移抑制中的应用研究[J].传感技术学报，2016，29（5）：111-114.