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CN106482747A - 一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法 - Google Patents

一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法，该方法利用陀螺仪驱动系统产生的解调基准信号和相对解调基准信号的90°移相信号分别对检测轴信号进行相敏解调，根据两路解调输出间存在的三角函数关系，对其加权相加即可还原输入角速度信号，排除正交信号的干扰；利用该相位差和驱动频率存在近似线性关系，标定该内在关系并对相位差进行实时解算，进而得出加权系数，对角速度信号进行实时补偿。本发明不需要外加温度传感器，用驱动信号频率表征温度，实时补偿由于温度变化造成的解调相位差的变化，解决了测量内部温度延时而导致的滞回效应，提高了陀螺仪的零偏稳定性，且保持了硅微陀螺仪体积小的特点。

Description

一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，特别是一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法。
背景技术
硅微机械陀螺仪是基于科氏力，该力耦合了两个相互正交的坐标轴之间的能量。陀螺仪谐振器沿驱动轴方向驱动，当有角速度输入时，由科氏效应产生的科氏力使谐振器沿第二轴向即检测轴方向振动，通过检测该检测轴向位移的变化来等效输入的角速率。
虽然微机械陀螺仪已经得到广泛的运用，其技术也逐渐成熟，但微机械陀螺仪的性能并不稳定，很容易受到干扰。温度效应是微机械陀螺的主要误差来源之一。并且随着陀螺技术的发展与应用范围的扩大，温度效应对陀螺的影响也越来越成为困扰人们的问题。
针对这一问题，近些年国内外一些文献相继介绍了改善硅微陀螺温度性能的方法。Ho G K等人在[Ho G K,Sundaresan K,Pourkamali S,et al.Micromechanical IBARs:Tunable High-Resonators for Temperature-Compensated Reference Oscillators[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2010,19(3):503-515.]中提出采用结构的对称设计和新工艺以减小温度影响，该方法虽然可以消除部分的温度影响但容易被加工过程的不确定因素干扰。
Lu X等人在[Lu X,Yang B,Wang S R,et al.On-Chip Temperature-ControlTechnology for Silicon Micro-Gyroscope[J].Key Engineering Materials,2011,483:228-231.]中针对陀螺仪的工作环境温度，在陀螺结构芯片内部进行温度控制，使其工作环境恒温。此方法不仅会增加加工难度，同时加热不均也会导致结构的非理想形变，影响测量精度。
由于硅微陀螺仪的零偏来自于相敏解调残留的正交信号，因此零偏温度误差与正交信号的幅度变化具有相关性，Zotov S A等人在[Zotov S A,Simon B R,Sharma G,etal.Utilization of mechanical quadrature in silicon MEMS vibratory gyroscopeto increase and expand the long term in-run bias stability[C].InertialSensors and Systems(ISISS),2014International Symposium on,Laguna Beach,CA,2014:1-4.]中认为可利用正交信号幅度对零偏进行温度补偿。此外由于硅微陀螺仪的零偏及标度因数均与其驱动位移相关，该研究团队提出了利用陀螺驱动电路中的三次谐波与一次谐波的比例表征陀螺的驱动位移，并利用其进行进一步温度补偿。由于所采用的补偿变量与陀螺的温度误差具有直接相关性，该补偿方法取得了不错的补偿效果，其零偏不稳定性达到了0.1°/h。但是该文献中的所有电路系统均采用分立器件构成，未实现片上集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决温度滞回和温度曲线非线性问题的高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；
步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；
步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求解
步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率实时获取相位差
步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度输入信号幅值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明相比于增加外部测温传感器的方案，利用驱动频率来表征敏感结构内部温度的方法避免外部感知的温度与陀螺敏感结构内部的温度存在的延时，有效解决硅微陀螺仪在温变环境下的温度滞回问题；
(2)本发明将驱动轴的解调基准信号和检测轴输出信号之间不可避免的相位误差作为补偿源,利用该中间变量与表征温度的驱动频率呈近似线性关系获取加权系数，具有实时性且该方法易于集成；
(3)本发明利用一组来自驱动轴的正交解调基准分别对检测信号进行相敏解调，根据两路解调输出间存在的三角函数关系，对其加权相加即可还原输入角速度信号，排除正交信号的干扰。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为硅微机械陀螺仪系统检测部分的零偏温度补偿流程图。
图2为零偏温度补偿方法示意图。
图3为以时间为横坐标的实际测得相位差与线性拟合相位差曲线图。
图4为以驱动频率为横坐标的实际测得相位差与线性拟合相位差曲线图。
图5为未进行温度补偿的陀螺仪零偏输出曲线图。
图6为进行温度补偿后的陀螺仪零偏输出曲线图。
具体实施方式
本发明利用驱动频率作为温度表征量进行补偿，有效的解决温度滞回问题；以及利用一些中间变量作为补偿源有效改善由于温度对于多个结构和电路参数呈非线性关系而引入的补偿残差。
结合图1，一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；
步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；
步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求出
步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率来实时获取相位差
步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度输入信号幅值。
进一步的，步骤2中解调基准信号cos(ωdt)是陀螺仪系统中的驱动信号，且是由驱动控制系统中的锁相环相位控制系统产生的一对相互正交的基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)，其中ωd为陀螺仪的驱动频率，来自驱动轴的解调基准信号与检测轴信号之间不可避免的存在相位误差但角速度输入信号和正交输入信号始终保持正交关系。
进一步的，步骤3中检测信号经过Hilbert变换移相90°变为检测移相信号幅值大小不变。解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)已获取，则相位差所用公式为：
其中，x2(ωd)＝cos(ωdt)和y2(ωd)＝-sin(ωdt)。
进一步的，步骤4中利用陀螺仪的锁相环相位控制系统测得陀螺仪的驱动频率ωd，在静态情况下角速度为零，可以直接测量来自驱动和检测轴解调输入信号的相位差外界环境温度变化情况下，多次测量驱动频率ωd与相位差进行线性拟合近似呈一次函数关系k1和k0为拟合系数。
步骤5中分别为角速度信号和正交信号加权系数，通过步骤5理论计算可以获取角速度信号幅值，排除正交信号幅值。
计算加权系数时，由于接近于0°，因此加权系数和分别近似为1和简化计算，节约硬件资源。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
结合图1，本实施例以驱动频率作为温度表征量，利用来自驱动轴的解调基准信号和检测轴信号之间不可避免的相位误差作为补偿源的高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法，整个计算过程在FPGA内完成，以驱动频率为6.4KHz，标度因数为0.01V/°/s的硅微陀螺为例，将陀螺安装在60°到-40°的降温环境下温箱中对其进行温度补偿，结合图2步骤如下：
步骤1、检测信号读取，由科氏效应产生的科氏加速度及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换电路及AD转换器，获取检测信号Vs，包含角速度输入信号和正交输入信号
步骤2、检测信号解调，由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号Vs相乘，经过巴特沃斯6阶截止频率为100Hz的低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；
步骤3、获取检测信号与解调基准信号cos(ωdt)间的相位差，利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求出检测信号经过Hilbert变换移相90°变为检测移相信号Hilbert变换是由一个反对称的128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器实现，检测信号也经过一个128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器在再与检测移相信号相乘，由解调基准信号所得的解调信号x2(ωd)和y2＝(ωd)也分别经过一个128阶的等波纹法的有限冲激响应滤波器再进行如下计算，以保证各信号之间的相位差不变。反正切函数的求解由cordic算法实现。
相位差为：
其中x2＝cos(ωdt)和y2＝-sin(ωdt)。
步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率来实时获取相位差其中驱动频率ωd是由以全数字锁相环作为陀螺的相位控制系统中提取出来的。进行多次温度实验并采集数据，以一次线性拟合为例，得到标定后的拟合曲线图3，图4可以看出线性拟合后的相位差与实际相位差接近。在拟合函数关系确定之后，以ωd为自变量，进而在温变情况下实时测量驱动频率ωd获取相位差
步骤5、实时计算加权系数分别与步骤2中的和相乘，所得结果相加即得输出角速度幅值V1，其中加权系数 先进行简化计算：
图5，图6可以看出温度补偿前和温度补偿后的零偏输出结果，其零偏有明显减小。并且通过后期的数据处理得出零偏稳定性由61.3°/h变为23.93°/h，零偏稳定性有明显改善。

Claims (3)

1.一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；
步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号 为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；
步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求解
步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，通过实时测量驱动频率实时获取相位差
步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度输入信号幅值。
2.根据权利要求1所述的高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征在于，步骤3中检测信号经过Hilbert变换移相90°变为检测移相信号幅值大小不变，解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)已获取，则相位差为：
其中，x2(ωd)＝cos(ωdt)和y2(ωd)＝-sin(ωdt)。
3.根据权利要求1所述的高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征在于，步骤4中利用陀螺仪的锁相环相位控制系统测得陀螺仪的驱动频率ωd，在静态情况下角速度为零，直接测量来自驱动和检测轴解调输入信号的的相位差在外界环境温度变化情况下，多次测量驱动频率ωd与相位差进行线性拟合近似呈一次函数关系k1和k0为拟合系数。
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