微机械陀螺的误差抑制电路研究

分析了微机械陀螺的正交误差和同相误差的来源及特点,提出了利用静电力反馈控制来抑制误差的技术方案.该方案利用反馈静电力在检测模态上产生等效电刚度和电阻尼,从而影响陀螺仪驱动和检测模态之间的刚度和阻尼耦合系数,进而抑制误差.为实现误差抑制设计了带有反馈校正环节的闭环检测电路并完成了仿真,仿真结果表明校正环节能够使系统的幅值和相位裕度达到25 dB和36.5°.对微机械陀螺进行频谱分析和性能测试比较,结果表明闭环检测情况下,误差量较开环测试减小了50%,标度因子的非线性度从2.89%减小到1.47%、带宽增加了15 Hz、零偏稳定性提高了1.3倍.     

微机械振动陀螺模态耦合误差分析与激光修形方法研究

较大的模态耦合误差严重影响陀螺仪的零偏稳定性。研究了一种微机械振动陀螺仪的模态耦合误差形成机理,仿真分析了结构加工误差对模态耦合误差的影响规律。仿真结果表明:振动结构支撑梁上的加工误差是引起结构刚度不对称并产生模态耦合误差的主要因素,在与该加工误差对称的位置去除相应的材料可以减小甚至消除模态耦合误差。采用紫外激光微细加工技术,对微陀螺样机进行了结构平衡实验,激光修形后在没有输入角速度时,微陀螺样机模态耦合误差信号的峰峰值从2.88 V降低到0.24 V,取得了明显的修形效果。     

高压驱动的三波腹多环盘式硅微陀螺仪

设计和研究了一种带有高压驱动电路的多环盘式硅微陀螺仪（DRG）。该陀螺仪具有MEMS嵌套环结构,工作在三波腹(n=3)的振动模态下,主振型和从振型之间具有更小的频率裂解。系统采用双闭环测控电路驱动,结构简单,具有良好的稳定性和较大的带宽。其中刚度调谐和正交误差校正所需要的高压直流电由小型化的Boost升压电路提供。样机测试结果表明闭环Boost升压电路精度高,对陀螺仪的零偏不稳定性影响小。陀螺仪具有高品质因数（Q=36503）、低非线性度（314ppm）、低角度随机游走（0.1664°/√h）以及低零偏不稳定性（2.0229°/h）。     

硅微机械谐振式陀螺仪的技术研究

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理,设计了一种新型微机械谐振式陀螺,并用有限元方法进行了仿真,制造了一批样机,进行了初步的驱动特性实验.结果表明,该微机械谐振陀螺仪实际驱动模态的谐振频率与仿真值的最大误差小于6%,满足设计要求.     

硅微陀螺仪的误差分析

以z轴硅微陀螺仪为研究对象,对加工误差产生的误差信号进行了分析.由于加工误差,使得陀螺仪结构不对称,主要表现为支承梁不对称、梳齿间距不等,产生了不等弹性、阻尼不对称以及力不平衡这三种现象.以动力学方程为基础,分析了不等弹性和阻尼不对称产生的误差信号;以静电理论为基础,分析了驱动梳齿和敏感梳齿间距不等时产生的误差信号.分析结果表明,这些误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号.最后,介绍了一种减小正交误差的方法,并进行了仿真.     

硅微Z轴谐振陀螺仪闭环伺服控制系统设计

根据自行设计的硅微Z轴谐振陀螺仪的工作原理,提出了闭环伺服控制系统模型,在对开环检测模型分析的基础上设计了闭环伺服控制系统,并用Matlab软件对闭环伺服系统的频域和时域特性进行了仿真分析,选取了合适的校正环节及优化参数,使系统有较高的稳定裕度和较好的动态特性.通过实验调试实现了初始检测电容差引起的信号以及正交信号的反馈抑制控制,达到了较高的控制精度.     

基于FPGA的硅微陀螺数字测控和温补技术研究

硅微陀螺仪由陀螺结构和测控电路组成,随着模拟接口电路的日臻完善,陀螺仪性能的提升主要靠数字电路中的测控和补偿算法。目前硅微陀螺测控电路正在向芯片化方向发展,为了加速硅微陀螺测控电路芯片化进程,用Verilog硬件描述语言设计了AGC和PLL对陀螺幅度和相位进行闭环控制,科氏力平衡进行闭环检测。对因加工造成的正交误差,设计了正交校正闭环。根据温度对陀螺仪的影响,对标度因数进行线性补偿,对零偏进行了BP神经网络补偿。实验结果表明,该控制系统下AGC相对稳定性为124ppm,PLL相对稳定性为79.1ppm,常温零偏稳定性为2.9o/h。在0℃到65℃温度范围内补偿前零偏稳定性为17.7o/h,补偿后零偏稳定性为9.1o/h,标度因数温度灵敏度降低1个数量级,不仅提升了硅微陀螺仪的性能,也为陀螺ASIC设计奠定了良好基础。     

对称解耦硅微陀螺仪结构设计研究

硅微机械陀螺仪的驱动模态和敏感模态间的交叉耦合制约了其性能的提高。设计了一种对称解耦硅微机械陀螺仪,它的驱动机构与检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦,使得驱动和敏感模态之间的耦合小、结构振动平稳性好、品质因数高。该微陀螺仪的驱动与检测支承梁完全相同且对称分布,使得驱动模态和敏感模态的谐振频率受加工误差和温度变化的影响近乎相同,所以频率匹配性好,结构的灵敏度大大提高。实验测试结果表明对称硅微机械陀螺仪的耦合误差得到了有效减小,并且它的驱动和检测谐振频率仅相差6Hz,其品质因数在空气条件下分别为145和117,检测模态的品质因数与采用压膜阻尼振动方式进行检测的硅微机械陀螺仪相比有了显著提高。     

中国微米纳米-基于神经网络的多尺度多参数硅微陀螺仪研究

由于硅微陀螺仪工艺加工导致漂移误差进而影响INS测量精度,所以硅微陀螺仪的漂移估计成为研究的重点。硅微陀螺仪精度受多种因素的影响,因此很难对非平稳非线性输出硅微陀建立准确的误差模型。提出一种的基于小波神经网络的多尺度和多参数非线性估计改进硅微陀螺仪的漂移估计。实验结果表明,在通过本文介绍基于神经网络的多尺度多参数校准后硅微陀螺仪精度从1°/s到0.05°/s。     

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响,导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。     

基于参数激励的MEMS环式陀螺驱动方法与实现

MEMS环式陀螺仪是一种基于哥氏力效应设计出的测量角速度的惯性传感器,其性能与驱动模态直接相关。因此,在传统PLL-AGC驱动控制方法中引入参数激励信号,按照参数激励法驱动陀螺仪,陀螺仪的刚度产生周期性变化,降低驱动信号从而抑制因电馈通导致的驱动端对敏感端产生的误差信号,提高陀螺仪灵敏度。对参数激励的效果进行研究,经实验表明,通过改变参数激励信号的参数,可在驱动响应稳定的前提下对驱动信号进行抑制,在实际测试中驱动信号的幅值下降22.75%。     

一种磁流体陀螺的设计研究

新型磁流体陀螺兼具带宽大、体积小、重量轻、寿命长、抗冲击等优良特性,是用于卫星微角振动测量的理想传感器,同时在寻北及小型无人机导航等领域也具有广阔的应用前景。提出了一种磁流体陀螺的设计思路,通过对磁流体陀螺工作原理的分析,设计了一种机械结构,该结构既形成了闭合磁路又构成了上下壁绝缘、内外壁导电的密闭磁流体通道,满足传感原理需求;采用低噪放大器组成信号处理电路并对噪声进行分析,该电路可以将本底噪声对传感器输出信号的影响降低至可接受范围内;对基于该思路设计的样机进行了初步试验,试验结果表明该磁流体陀螺能够敏感角振动,非线性误差小于0.6%,重复性误差小于0.5%,稳定性误差小于0.8%,具有很好的发展前景。     

压电射流陀螺检测元件工艺研究

研究压电射流陀螺检测元件铂丝电阻热敏性能,通过结构设计,电参数选择尽量发挥铂丝热敏电阻性能的优点,减小缺陷影响.设计运算放大电路为信号检测电路,用单片机进行信号处理,以软件校正补偿方法,有效地解决铂丝电阻的非线性误差,提高了压电射流陀螺综合精度.     

Integrated model reference adaptive control and time-varying angular rate estimation for micro-machined gyroscopes

Owing to the imposed but undesired accelerations such as quadrature error and cross-axis perturbation, the micro-machined gyroscope would not be unconditionally retained at resonant mode. Once the preset resonance is not sustained, the performance of the micro-gyroscope is accordingly degraded. In this article, a direct model reference adaptive control loop which is integrated with a modified disturbance estimating observer (MDEO) is proposed to guarantee the resonant oscillations at drive mode and counterbalance the undesired disturbance mainly caused by quadrature error and cross-axis perturbation. The parameters of controller are on-line innovated by the dynamic error between the MDEO output and expected response. In addition, Lyapunov stability theory is employed to examine the stability of the closed-loop control system. Finally, the efficacy of numerical evaluation on the exerted time-varying angular rate, which is to be detected and measured by the gyroscope, is verified by intensive simulations.     

Compensation to imperfect fabrication and asymmetry of micro-gyroscopes by using disturbance estimator

Owing to the imposed coupling accelerations such as quadrature error and cross-axis perturbation, the micro-machined gyroscope could not be unconditionally retained at resonant mode. Once the preset resonance is not sustained, the performance of the micro-gyroscope is accordingly degraded. In this paper, a direct model reference adaptive control loop which is integrated with a modified disturbance estimating observer (MDEO) is proposed to guarantee the resonant oscillations at drive mode and counterbalance the undesired disturbance caused by quadrature error and cross-axis perturbation. The parameters of controller are on-line innovated by the dynamic error between the MDEO output and expected response. In addition, Lyapunov stability theory is employed to examine the stability of the closed-loop control system. At last, the efficacy of evaluation of the exerted time-varying angular rate, which is to be detected and measured by the gyroscope, is verified by intensive simulations.     

耦合结构对音叉式陀螺振动特性的影响

耦合结构对MEMS音叉式陀螺振动特性具有重要影响。针对一种典型结构的音叉式陀螺及其耦合结构,在分析其工作原理的基础上,建立了其驱动模态的振动模型。基于该模型,计算了在陀螺刚度不对称、驱动力幅值不对称及质量不对称三种情况下,该耦合结构对陀螺振动特性的影响。利用有限元仿真软件,对该耦合结构在三种情况下对陀螺振动特性的影响进行了仿真比较。计算与仿真结果表明,通过改变耦合结构尺寸,能够调整陀螺固有频率,进而对振动特性产生影响。根据结果,提出了音叉式陀螺耦合结构的设计准则。     

基于单片机的GPS/MEMS陀螺仪航向角实时测量系统

针对陀螺仪测量误差随时间累积,GPS在动态环境中可靠性差等问题,提出并设计了一种基于单片机的GPS/MEMS陀螺仪航向角实时测量系统。该系统以C8051F021单片机为核心处理器,GPS与MEMS陀螺仪相组合,将GPS接收机中IPPS脉冲信号作为同步标签,实现GPS对陀螺仪航向角解算的实时修正,从而获得高精度和高可靠性...     

微机械陀螺的刻蚀误差特性分析

微陀螺仪结构上的腐蚀凹槽或腐蚀腔可以由深层反应离子刻蚀技术得到,加工过程中存在的刻蚀误差对微陀螺的固有频率、输出精度和稳定性有重要的影响.采用有限元分析软件ANSYS建立了一种梳状微机械陀螺的有限元分析模型,采用解析的方法并通过Matlab数学软件进行仿真,研究了由于加工误差导致微梁过度刻蚀对微陀螺驱动模态、检测模态、固有频率、带宽、灵敏度的影响.结果表明,微梁刚度和微陀螺固有频率随着刻蚀角度的增大而增大;最大过度刻蚀角度为±2度时,其驱动模态和检测模态的固有频率的变化率均超过了14%;刻蚀误差会导致微陀螺工作模态降阶,以及干扰模态介于与驱动和检测模态之间且与驱动模态频率相近,这会严重影响微陀螺的输出精度;带宽随过度刻蚀夹角增大而减小,灵敏度随过度刻蚀夹角的变化而发生不规律变化;当刻蚀角度介于0°~1.5°时,微陀螺的灵敏度将高于无刻蚀误差时微陀螺的灵敏度.     

基于惯性传感器的上肢位置跟踪

为辅助中风病人的康复训练,设计了一种手腕固定惯性测量单元的上肢位置跟踪方案.导航定位算法采用传统的捷联惯性导航解算算法,并在此基础上根据标准康复训练中手臂做屈伸运动时速度周期性为零的特征,引入零速修正技术(ZUPT).采用姿态检测最优算法检测零速区间,将此时惯性导航解算的速度作为量测值进行Kalman滤波,对系统的速度、姿态、位置、加速度计和陀螺仪常值零偏误差进行估计,将估计结果反馈以修正捷联惯性导航的累积误差.同时在Kalman滤波的基础上设计了固定区间RTS平滑算法,解决了零速修正引起的运动轨迹的突变问题.实验结果证明,该方案可以有效地实现上肢位置跟踪,在运动时间为108 s的情况下,定位误差为运动路程的0.089％.