石英MEMS陀螺仪误差建模补偿方法及实验研究

admin · 发表于 2024-2-15 22:19:20

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基于微机电系统(Micro-Electromechanical Systems，MEMS)技术的惯性器件具有广阔的发展前景，代表了惯性技术的发展水平。提高MEMS惯性器件性能是微小型导航、制导与控制系统(Micro Guidance Navigation and Control，MGNC)发展的瓶颈技术，是微小型惯性导航技术的重要发展方向。我国MEMS惯性器件现阶段发展的主要目标是提高器件精度和可靠性，本文开展了提高MEMS惯性器件性能的方法和实验研究。研究并提出了更先进的石英MEMS陀螺仪的建模方法和补偿技术，研究了MEMS陀螺参数解耦测试方法，改进了基于MEMS惯性器件的MIMU结构设计并完善了其可靠性设计方法。论文主要研究工作及创新如下：1．针对研究中测试到的石英MEMS陀螺漂移周期性误差，建立了其精确的误差模型。设计了不同采样频率下的测试实验，实验表明石英系列MEMS陀螺仪的短时漂移在高频采样时表现出显著的周期性；提出了该周期性误差各参数的初步标定方法，并设计离线补偿实验和在线补偿实验分析了其标定效果。分析石英MEMS陀螺仪的周期性误差影响器件精度的机理，利用误差传递理论研究了各个周期性误差参数的传递特性，发现频率误差是周期性误差影响导航精度的最主要的因素。提出周期性误差的精确标定方法，设计实验证明该方法可以准确标定误差参数并建立出精确的误差模型。2．针对捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)的频率匹配过程中数据平滑对石英MEMS陀螺周期性误差补偿精度的影响，提出一种快速高精度的周期性误差补偿方法。分析了常用的周期性误差处理方法在处理SINS中石英MEMS陀螺周期性误差时存在的缺陷，提出基于时域函数表达式的周期性误差补偿思路；针对在线直接补偿方法的补偿速度缺陷，提出快速周期性误差补偿方法，实验结果表明虽然其补偿速度大幅提高了，但是补偿精度会振荡发散到极限饱和值；研究该补偿精度发散题目的机理，理论分析和实验结果表明数据平滑过程会严重影响周期性误差的频率稳定性；提出了一种新的快速高精度周期性误差补偿方法，先利用数据平滑前的误差数据确定误差折算公式的系数，再以折算公式补偿数据平滑后得到的低频误差值，实验表明这种方法在保证实时性要求的前提下，能避开数据平滑过程对周期性误差频率稳定性产生的影响，提高补偿精度。3．针对MIMU测试中遇到的MEMS陀螺仪标度因数与输入轴失准角之间的误差耦合题目，提出一种高精度解耦测试方法。分析了该耦合题目的成因和影响，提出解耦测试方法，给出了解耦测试理论依据，建立了完善的数学模型；研究了解耦测试实验方法，提出一种低成本解耦测试实验装置；设计了一种精密安装基准体，可以修正输入轴失准角，消减误差耦合程度。半物理仿真和计算机仿真结果表明解耦测试方法的测试精度不受输入轴失准角大小的影响，优于传统方法；精密安装基准体能提高MEMS惯性器件的应用性能和可靠性。4．针对微小型飞行器对MIMU系统的需求，提出了一种“T”型MIMU结构的设计思路和方法。设计了基于MEMS惯性器件的“T”型支撑结构的构型，针对常用MEMS陀螺分别设计了相应的“T”型MIMU系统结构，利用有限元方法分析了MIMU结构的各项力学特性和振动特性。根据可靠性设计方法，提出了基于MEMS惯性器件差分应用方法的MIMU结构，和适用于高速自转型微小型飞行器的框架式MIMU设计方法。应用结果证明，“T”型MIMU结构进一步减少了体积，能够满足微小型飞行器的要求。

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