MEMS惯性器件参数辨识及误差补偿技术研究硕士学位论文

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1、第1章绪论MEMS惯性器件参数辨识及误差补偿技术研究硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景及意义本课题的研究目的是针对微小型低成本MEMS惯性器件在微小型飞行器上实现高精度的无人导航、制导与控制(MicroGuidanceNavigatiaonandControl简称MGNC)。本文的研究是基于低成本MEMS惯性测量单元的误差建模、标定、随机误差滤波。在现今的世界格局中，战争以信息化电子战对抗为主,重点是发展精确制导武器,实现中远程精确打击和非接触式作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力[1]。特别是

2、现今对传统的压制性武器上的应用，微小型低成本惯性技术对加强武器系统和提高作战能力的应用上起到了关键的技术，是国防科技的重要发展方向之一。基于微机电技术(MicroElectromechanicalSystems,简称MEMS)惯性器件的微惯性测量单元(Micro-InertialMeasurementUnit,简称MIMU)具有成本低、体积小、功耗低、可靠性高且便于产量化生产和安装使用等优点，可测量载体的角速度、角位置和加速度等运动信息，是导航制导系统的核心部件，没有高精度的MIMU提供高精度的测量信息，微小型导航制导飞行器无法实现其应有的功能和任务[2][3]。其

3、中，MEMS惯性器件是MIMU的核心器件，决定着MIMU的成本、体积以及使用性能，并且决定着MIMU的发展水平。但是，MEMS惯性器件的结构特点和制造工艺决定了测量水平的精度，特别是国外对我国的武器禁运致使国内的低成本MEMS惯性器件都是民用级别的且误差相当大，因此，在研究高性能微小型低成本MEMS惯性测量单元的基础上，通过对惯性器件输出的误差进行建模、标定和补偿的方法提高MEMS惯性器件的测量精度从而提高导航的性能是一种有效的途径[4]。9第1章绪论1.2微机械陀螺仪加速计结构发展与工作原理1.2.1硅MEMS陀螺仪结构发展现状自从德国V2火箭使用机械陀螺仪导航之

4、后，陀螺仪经过六、七十年的的发展，已经从传统的以旋转刚体的进动性敏感惯性运动的机电装置，发展到以萨格奈克效应(Sagnac)的光学陀螺(光纤陀螺和激光陀螺)，以及当今正迅速兴起的精密微机械、精密微电子、集成半导体电路工艺等具有前沿科学新技术的MEMS陀螺[5][6]。从20世纪70年代末80年代初始，随着MEMS制造技术的快速发展，以MEMS技术为基础的微机械陀螺由于其体积小，价格低，功耗低、可与电路集成、易于批量生产等特点，具有广泛的应用前景，得到了各国的重视，已成为目前最新研究的重点，并有部分产品成功的投入了市场。美国Draper实验室一直是微机械陀螺仪发展水平

5、的代表，根据美国Draper实验室的发展微机械陀螺仪正在向低成本和高精度两个方向发展(如图1.1所示)。图1.1陀螺仪发展趋势1.2.1.1国内外微机械陀螺仪发展现状1988年美国的Draper实验室成功的研制出来第一个微机械MEMS陀螺仪如图1.2所示，该陀螺仪由驱动框架和检测框架够成[7][8][9]。当系统存在绕Z轴的旋转时，检测框架在哥氏力作用下检测质量块绕检测轴振动，振动的幅度与输入的角速度或角加速度成正比。从而引起检测电容值的变化，在经过前置放大、调制解调后输出电压信号，电压信号正比于角速度输入的信号。但是该结构的陀螺仪，有害信号的频率和有信号的振动频率

6、相同，很难消除，所以该种陀螺仪的噪声信号相当大。9第1章绪论图1.2外框架驱动式陀螺仪在1993年美国Draper实验室又研制出了一种双质量块音叉式微机械陀螺仪，它包括由弹性支撑梁支撑的双质量块，每个质量块得两侧呈梳齿结构，并且底座也是梳齿结构，当质量块检测到垂直于他方向的运动的角速度时，底座与检测质量块构成的差分电容，来检测输入的角速度。这种结构的陀螺仪通过差分检测可以较小或消除采集信号的干扰和零偏漂移。结构如图1.3所示：图1.3双质量块梳齿结构陀螺仪在2002年ADI公司对微机械陀螺仪的生产实现了革命性的变化，对自己研制的双质量块音叉式微机械陀螺仪实现了商业性

7、的量产，并以每只10美元的价格向市场出售[10][11]。该型陀螺仪采用表面微机械工艺制作，采用梳齿电极驱动和梳齿电极检测，并将信号处理电路和陀螺仪芯片完全集成在一起，信号处理电路和陀螺仪芯片底部视图分别如图1.4和图1.5所示。9第1章绪论图1.4ADXRS150信号处理电路图1.5ADI生产的微机械陀螺仪芯片其生产的ADXRS150型的陀螺仪测量范围为-150°/s~+150°/s，工作电压为5V，带宽为40Hz，灵敏度为12.5mV/°/s，角速度随机游走为0.05°/s/Hz，使用温度范围为-40℃~+80℃。1.2.1.2国内陀螺仪发展现状在MEMS技