MEMS陀螺技术国内外发展现状简述

随着MEMS技术的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用.MEMS陀螺具有体积小、重量轻、成本低和可批量生产等独特优点,在军事领域有着广阔的发展和应用前景,受到了各军事强国的青睐. 本文对MEMS陀螺的军事需求进行了初步介绍,重点针对国内外典型MEMS陀螺器件的结构形式、基本原理、优缺点、关键性能指标进行了梳理和分析,并对它们的应用前景进行了展望.随着微机电技术的发展和新型材料的应用,MEMS陀螺的种类将进一步多样化,MEMS陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用.     

基于Allan方差的MEMS陀螺误差分析

利用Allan方差法对国外一款MEMS陀螺仪进行误差分析,通过长时间静态数据分析,对陀螺误差系数进行标定,验证了Allan方差法用于陀螺误差分析的可行性。     

MEMS陀螺误差辨识与补偿

由于制造工艺等原因,MEMS陀螺的随机漂移非常大,严重影响了系统的性能.通过自制的基于MEMS的捷联惯导系统的相关实验,对MEMS陀螺的确定性误差和随机误差分别进行了辨识和补偿.完成确定性误差补偿,对MEMS陀螺随机误差进行了时间序列分析,并建立了AR模型,根据所选模型参数建立了随机误差的系统方程,采用经典卡尔曼滤波进行随机误差补偿.实验结果说明:无论是静态下还是动态下,补偿后信号的方差都大大下降,说明了滤波效果较为明显,具有一定的工程应用价值.     

MEMS陀螺在航天器控制系统中的应用评述

在分析MEMS陀螺在空间应用优势基础上,对MEMS陀螺的空间适应性进行了分析,提出了其在空间系统中的应用途径,通过国内外应用情况表明:MEMS陀螺能够广泛应用于航天器控制系统,并随着工艺水平的提高,将成为航天器控制系统的最佳选择.     

随钻测量用MEMS陀螺信号稀疏提取

针对随钻测量用MEMS陀螺检测信号特性,提出采用稀疏表示的方法进行信号提取.首先从检测的陀螺调制信号构成角度,分析其信号稀疏特性;然后分析检测信号特性,构造与之最相似的过完备词典;比较已有稀疏重构算法优劣性,提出一种改进的稀疏度自适应匹配追踪算法对陀螺调制信号进行稀疏提取,进而解调真实陀螺信号;最后采用提出的改进SAMP算法于新构造的过完备字典中进行陀螺信号稀疏提取实验,并与小波阈值提取法进行实验对比,实验结果表明:采用新构造的字典和改进的SAMP算法,可以有效提取MEMS陀螺真实信号,提取效果优于传统小波阈值法.     

基于Allan方差的MEMS陀螺随机误差建模

针对由于MEMS陀螺随机误差较大而影响MEMS惯性测量系统测量精度的问题,提出一种利用Allan方差分析随机误差并建模的方法。在分析Allan方差原理的基础上,通过Allan方差分析法分离和辨识了MEMS陀螺仪的各项随机误差以及误差系数,并利用随机误差系数进行了数学建模。通过与ARMA模型比较,表明利用Allan方差建立的模型更加精确。该方法为MEMS惯性导航系统中姿态测量的误差补偿和滤波提供了新的思路,对提高MEMS惯性测量系统的测量精度具有一定的实际应用价值。     

基于DSP的MEMS陀螺误差建模与滤波方法研究

针对微机电系统(MEMS)陀螺测量精度低、随机噪声复杂的问题,根据MEMS陀螺的实测数据,分析其噪声特性,研究MEMS陀螺的随机噪声模型。应用时间序列分析方法,采用时间序列分析(AR)模型对MEMS陀螺测量数据噪声进行建模,该模型反映陀螺的噪声特性,基于该随机噪声模型,采用Kalman滤波技术有效降低了随机噪声对MEMS陀螺测量精度的影响。通过对MEMS陀螺实测数据的仿真试验结果表明:提出的建模与滤波方法能够有效地抑制其随机噪声误差,提高实际应用中的测量精度。     

基于AR模型的MEMS陀螺误差补偿方法研究

针对MEMS(Microelectro Mechanical Systems）陀螺具有成本低、体积小但误差较大的问题,探讨MEMS陀螺的误差补偿方法。基于AR模型方法,采集MEMS陀螺原始信号,对原始信号进行预处理,利用预处理后的数据建立陀螺的AR(Auto Regressive)模型,辨识出模型参数。利用该模型对陀螺信号进行误差补偿,计算出陀螺的较精确值。通过对某MEMS陀螺误差补偿的静态和动态试验表明,提出的方法能够有效地减小误差,提高陀螺的测量精度。     

MEMS陀螺漂移误差建模与滤波

MEMS陀螺漂移误差直接影响光电稳定跟踪平台伺服机构的控制精度.针对MEMS陀螺随机漂移误差慢时变、弱非线性、难以准确补偿的特点,基于随机序列时序分析法的基本原理,对预处理后的MEMS陀螺漂移残差信号进行建模,并根据模型对残差信号进行Kalman滤波.结果显示滤波前后信号的方差提高了1到2个数量级,表明有效抑制了漂移误差,提高了MEMS陀螺的精度.     

基于交错卡尔曼滤波的MEMS陀螺测量修正

针对战术导弹上MEMS陀螺测量角速率误差大的不足,提出利用舵面控制量与弹体控制力矩的对应关系,通过弹体姿态动力学方程构建系统的状态方程,从而比低通滤波器更加真实地描述实际弹体的姿态变化;为了避免非线性方程线性化的误差和降低滤波计算量,利用交错卡尔曼滤波器通过对状态耦合项建立状态转移方程实现对原方程的伪线性化,从而有效降低运算量;最后通过对三轴转台上的MEMS惯组半物理仿真试验验证,该算法使低精度MEMS陀螺角速率测量误差降低到一半以下。     

应用于MEMS陀螺仪的SoC设计

为了解决微电子机械系统(MEMS)陀螺仪体积较大、冗余的计算资源浪费等问题,对Cortex-M3内核的数据处理能力及总线架构进行了研究,设计了一款应用于MEMS陀螺仪的智能化、小型化、低功耗的片上系统(SoC);通过分析温度对陀螺输出信号的影响,对MEMS陀螺温度误差的智能化补偿方式进行了研究,采用以Cortex-M3为核心与电容/电压转换电路、模数转换器(ADC)等模块进行集成化设计的方法,在实现同样功能的情况下减小了陀螺体积;结合MEMS陀螺仪对信号处理资源的要求对存储空间及通信接口进行配置,采用0.18 μｍ BCD加工工艺对SoC进行设计制作;测试结果表明,针对MEMS陀螺仪进行匹配设计的SoC对陀螺输出信号进行温度补偿处理后,全温度区间(-40 ℃～85 ℃)零偏变化量由3.147°/s降低到0.035°/s,显著提升了MEMS陀螺仪的全温测量精度。     

MEMS陀螺仪大失准角解耦测试方法的研究

针对传统陀螺仪测试方法不适用于MEMS陀螺仪测试的现状,分析了MEMS陀螺仪标度因数和输入轴失准角测试特点,在此基础上,提出了一种新的解耦测试方法;同时,设计了解耦测试夹具,并给出了解耦测试试验流程;最后采用MEMS陀螺仪典型试验参数进行了仿真.仿真表明,该方法实现了测试参数的解耦,提高了测量精度,适用于大输人轴失准角的MEMS陀螺仪.     

微机械陀螺在机载光电平台中的应用

本文介绍了微机械(MEMS)陀螺仪ADXRS300,它采用iMEMS技术,单片集成设计,并将所需要的信号调理电路集成在芯片中。并设计了三轴姿态稳定单元,应用在某机载光电平台中,实验数据表明,它的精度达到了中低精度场合的需求,而且大大减少了体积、功耗、重量,价格等。     

MEMS压力传感器批量组装设备的研制

针对当前MEMS产业化推进过程中的小批量的发展现状,研究面向批量组装的MEMS微操作实用化系统具有重要实际价值.针对MEMS高温压力传感器产业化发展过程中的批量化键合工艺需求,从分析压力传感器键合工艺入手,研究批量组装关键技术,最后进行系统集成研制MEMS压力传感器批量组装设备.批量组装实验表明该系统可实现典型MEMS传感器批量组装,对MEMS产业化发展具有重要意义.     

工艺误差对盘式耦合谐振滤波器的影响

MEMS谐振器采用阵列耦合设计可以降低运动电阻、提高功率处理能力等,但是阵列耦合谐振器的性能对于耦合梁结构特性非常敏感,据此分析工艺误差造成的耦合梁形状变化对圆盘阵列耦合谐振器滤波性能的影响.对耦合梁不同程度倾斜下的谐振滤波器结构和性能参数进行理论分析,并采用有限元仿真软件ANSYS进行模拟仿真.结果表明当耦合梁分别发生0.1°、0.2°、0.5°倾斜时,滤波器中心频率分别下偏10×10-6、24×10-6、51×10-6.当倾斜角达到0.5°时,分数带宽偏差将达到5.6%.提出了一种半高耦合梁的圆盘阵列谐振滤波器,其滤波器性能稳定性要4×优于常规型圆盘耦合谐振滤波器.     

具有输入非线性的MEMS振动陀螺零点校正方法

针对Micro-electro-mechanical system (MEMS)振动陀螺仪加工制造过程中产生的几何结构中心与质量块重心不重叠导致严重陀螺漂移和噪声的问题, 在考虑陀螺自身非线性、控制输入非线性和外部干扰的情况下, 提出一种基于超稳理论的非线性控制策略对MEMS陀螺仪进行零点校正. 该方法在MEMS 陀螺仪非线性模型中引入一Hurwitz矩阵对模型进行变换以满足系统的严格正实要求, 利用向量范数的性质得到合适的控制律以满足Popov不等式, 从而保证了闭环控制系统的全局渐近稳定性. 仿真结果显示, 提出的非线性控制策略可以使系统状态迅速收敛到零, 并且对系统参数摄动表现出较强的鲁棒性.     

基于MEMS陀螺仪的随机误差分析

为了提高MEMS陀螺仪测量精度,减少随机误差的影响,对产生随机误差的噪声源及其随机误差模型进行了分析;通过分析MEMS陀螺仪自身结构的缺陷并且对其输出数据进行了相应的滤波处理与平稳性检验,确立了合适的误差模型并利用Kalman滤波进行误差补偿,验证了模型的有效性;同时运用Allan方差法对MEMS陀螺仪噪声项进行了分析,确定了影响MEMS陀螺仪测量性能的主要因素以及比较了滤波前后的各项噪声源系数,检验了滤波效果且实验结果证明误差模型显著提高了MEMS陀螺仪的测量精度。      

面向皮卫星应用的MEMS陀螺温度控制系统设计

设计了一种面向皮卫星应用的MEMS陀螺温度控制系统,其控制原理为基于ADN8831的TEC温度控制。分析了影响温控系统控制精度的各因素,并且通过Steinhart-Hart方程对热敏电阻的R-T特性进行拟合校准后表明,本温控系统的精度达到±0.03℃。将设计的温控系统应用于面向皮卫星的MEMS陀螺温度控制,通过Allan方差分析MEMS陀螺的误差项。通过不同温度下实验得出,当该温控系统存在时,零偏不稳定性和速率随机游走得到了不同程度的改善,验证了温控系统的有效性,满足了皮卫星体积小、功耗低的要求。     

微机械陀螺冲击特性及可靠性研究

为了深入掌握微机械陀螺的冲击响应特性,本文进行了详细的理论推导和MATLAB仿真分析,并进行了测试验证。冲击试验结果表明,理论分析和试验结果基本一致,考虑最坏情况可知,当脉宽对应的冲击频率与陀螺固有频率越接近,并且陀螺品质因子和冲击加速度幅值越大时,则冲击带来的影响就越大,梁越容易发生断裂失效。因此要使MEMS陀螺具有较强的抗冲击能力,必须综合优化设计陀螺的真空度和固有频率。