本發明涉及微電子
技術領域：
，特別是涉及一種提高陀螺儀測量精度的方法。
背景技術：
：MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微機電系統)陀螺儀具有體積小、質量輕、功耗低和成本低等優點，已被廣泛利用于導航與制導
技術領域：
。由于陀螺儀的核心敏感元件及其處理電路很容易受到外界因素的影響，例如溫度、電磁、震動、重力、濕度、氣壓等外界因素都可能會影響陀螺儀敏感元件和處理電路的特性，從而影響陀螺儀輸出精度，因此需要借助外界設備對其測量結果進行標定。現有的標定技術，主要是通過轉臺、溫箱進行速率標定和溫度標定，通過標定得到陀螺儀受溫度影響零位、零偏的變化、標度因素和安裝誤差等。現有的陀螺標定因數的求解方式如下：設為第j個輸入角速度時陀螺儀輸出的平均值，標度因數計算方法如公式(1)、(2)和(3)所示：Fj‾=1NΣn=1NFjn---(1)]]>F‾r=12(Fs‾+Fe‾)---(2)]]>Fj=Fj‾-F‾r---(3)]]>其中，Fj為陀螺儀的輸出角度，Fjn為陀螺儀第N個輸出值，為測試開始陀螺儀輸出的平均值，為測試結束時陀螺儀輸出的平均值，為測試中陀螺儀輸出的平均值。建立陀螺儀輸入輸出關系的線性模型，如公式(4)所示：Fj＝K·Ωij+F0+vj(4)其中，Fj是陀螺的輸出角度，K為陀螺儀的標度因數，Ωij為第j個輸入 角速度，F0為擬合零位，單位為度每小時(°/h)，vj是陀螺儀測量噪聲。用最小二乘法求陀螺儀的標度因數K和擬合零位F0：K=Σj=1MΩij·Fj-1MΣj=1MΩij.Σj=1MFjΣj=1MΩ2ij-1M(Σj=1MΩij)2---(5)]]>F0=1MΣj=1MFj-KMΣj=1MΩij---(6)]]>由于陀螺儀的標度因素、零偏、零偏穩定性等受溫度，濕度等環境的影響，每次測量值都不相同或有細微的變化，因此一次標定并不能夠準確測量陀螺的零偏、標度因數等參數，在實際使用時必然會帶來一定的誤差。總之，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是：如何提高陀螺儀的測量精度。技術實現要素：本發明提供了一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，以解決陀螺儀測量精度不高的技術問題。本發明實施例提供了一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，包括：選取陀螺儀構建至少兩個差分對，所述差分對中包括一個正向陀螺儀和一個反向陀螺儀，所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀分別置于同一轉臺敏感軸的正側和反側，使所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀以相同角速率分別正向旋轉和反向旋轉，使外部信號對所述正向陀螺儀和所述反向陀螺儀表現為共模差分信號；采集正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數；依據所述正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數，計算各階擬合系數；依據各個所述各階擬合系數，計算各個所述各階擬合系數的平均數；依據所述平均數，計算各階擬合系數方差；選取所述各階擬合系數方差最小的差分對，測量輸入角速度。優選地，所述測量輸入角速度w的過程如下所示：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc]]>其中，Nc為高斯白噪聲，Kbd為正向陀螺和反向陀螺儀的環境系數比值，Kp為正向陀螺儀的標定因數，Kn為反向陀螺儀的標定因數，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Kpwi表示負向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Wpi表示正向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，Wni表示負向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，i＝1，...n，n＝2～7。優選地，所述高斯白噪聲Nc的計算過程如下所示：Nc=N1-Kbd·N2Kp+Kbd·Kn]]>其中，N1為正向陀螺儀測試時的測量噪聲，N2為負向陀螺儀測試時的測量噪聲。優選地，所述為正向陀螺和反向陀螺儀的環境系數比值Kbd的計算過程如下所示：Kbd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w)]]>其中，j表示每次參與數據平滑處理的數據個數，j＝1，...m，m＝8～30，Gpj表示正向陀螺儀第j個采樣點的輸出值，Gnj表示負向陀螺儀第j個采樣點的輸出值，w為測試時刻的輸入角速度。優選地，所述選取陀螺儀構建至少兩個差分對包括：從相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取陀螺儀構建至少兩個差分對。優選地，所述依據所述正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數，計算各階擬合系數包括：將所述正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數做商，獲得所述各階擬合系數。與現有技術相比，本發明具有以下優點：選取各階擬合系數方差最小的 差分對，提高了組成差分陀螺對的兩個陀螺儀的相似性，這就把目前難度很大的通過改善陀螺儀加工工藝的方法來提高陀螺儀精度的問題，轉化為了難度不大的通過提高兩個陀螺儀相似性的方法來提高陀螺儀精度，提高了陀螺儀的精度。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例提供的一種提高陀螺儀測量精度的方法的流程示意圖；圖2是本發明實施例提供的陀螺儀測量角速度裝置的結構示意圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。實施例一本發明實施例提供了一種基于差分MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微機電系統)陀螺儀的高精度測量方法，以解決陀螺儀測量精度不高的問題，本發明實施例提供的基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法包括以下步驟：S101，選取陀螺儀構建至少兩個差分對，差分對中包括一個正向陀螺儀和一個反向陀螺儀，正向陀螺儀和反向陀螺儀分別置于同一轉臺敏感軸的正側和反側，使正向陀螺儀和反向陀螺儀以相同角速率分別正向旋轉和反向旋轉，使外部信號對正向陀螺儀和反向陀螺儀表現為共模差分信號。在本步驟中，可以從相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取陀螺儀構建至少兩個個差分對，每個差分對中包括兩個陀螺儀。例如，從100個相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀中選取20個陀螺儀構建10個差分對，每個差分對中包括兩個陀螺儀。由于相同批次、相同工藝和相同量程的陀螺儀的環境敏感特性比較相似，這樣就滿足了建立差分對的要求。可以將差分對中的兩個陀螺儀分別設置于同一轉臺的正側和反側，使兩個陀螺儀以相同角速度分別正向旋轉和反向旋轉。一般來說，轉臺臺面向上的方向為正側，轉臺臺面向下的方向為反側；設置于轉臺正側的陀螺儀可以稱為正向陀螺儀，設置于轉臺反側的陀螺儀可以稱為反向陀螺儀。S102，采集正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數，依據正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數，計算各階擬合系數。在本步驟中，可以將正向陀螺儀的各階系數和反向陀螺儀的各階系數做商，獲得各階擬合系數。各階擬合系數可以包括陀螺儀的標度因數、溫度漂移系數和安裝誤差系數。步驟S103，依據各個各階擬合系數，計算各個各階擬合系數的平均數。在本步驟中，可以將各個各階擬合系數進行累加，再除以各階擬合系數的數量，以獲得各個各階擬合系數的平均數。例如，差分對1的各階擬合系數為0.7，差分對2的各階擬合系數為1，差分對3的各階擬合系數為1.1，則各個各階擬合系數的平均數為0.93。步驟S104，依據平均數，計算各階擬合系數方差。在本步驟中，可以依據(xi-M)2計算各階擬合系數方差，其中xi為差分對i的個階擬合系數，i為大于等于2的正整數，M為各個差分對的各階擬合系數平均值。例如，差分對1的各階擬合系數為0.7，差分對2的各階擬合系數為1，差分對3的各階擬合系數為1.1，則各個各階擬合系數的平均數為0.93。則差分對1的各階擬合系數方差為0.0529，差分對2的各階擬合系數方 差為0.0049，差分對2的各階擬合系數方差為0.0729。S105，選取各階擬合系數方差最小的差分對，測量輸入角速度。在本步驟中，各階擬合系數方差越小的差分對中的兩個陀螺儀的相似性最為接近。測量輸入角速度w的過程如下所示：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc]]>其中，Nc為高斯白噪聲，Kbd為正向陀螺和反向陀螺儀的環境系數比值，Kp為正向陀螺儀的標定因數，Kn為反向陀螺儀的標定因數，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Knwi表示負向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Wpi表示正向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，Wni表示負向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，i＝1，...n，n＝2～7。通過本發明實施例提供的一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，選取各階擬合系數方差最小的差分對，提高了組成差分陀螺對的兩個陀螺儀的相似性，這就把目前難度很大的通過改善陀螺儀加工工藝的方法來提高陀螺儀精度的問題，轉化為了難度不大的通過提高兩個陀螺儀相似性的方法來提高陀螺儀的問題，提高了陀螺儀的精度。為進一步提高測量角速度的精度，可以將不同量程的陀螺儀混合使用測量角速度，例如，轉速較高時，可以使用大量程的陀螺儀測量角速度；轉速較低時，可以使用小量程的陀螺儀測量角速度。通過對載體角速度的判斷，在不同量程的陀螺之間進行切換，兼顧陀螺測量精度和范圍的問題，減少了小量程陀螺在使用過程中經常會遇見的過載情況，提高陀螺的抗過載能力。實施例二本發明實施例二提供了測量輸入角速度w的具體推導過程。根據陀螺儀的工作原理和測試原理，可得出陀螺儀的輸出值G與輸入角速度ω之間的關系式，將輸出值G和可以測試、標定和補償的n個確定性誤差項放在等式的左邊，將未知的輸入角速度ω和難以測試、標定、補償的不 確定性誤差項和噪聲項放在等式的右邊，則陀螺儀的輸出值G與輸入角速度ω之間的關系式如公式(7)所示：G-Σi=1nKwi·Wi=K·w+Kd·D+N---(7)]]>其中，G為陀螺儀的輸出值，Kwi是第i個確定性誤差項系數，i＝1,...,n；Wi是第i個確定性誤差項，i＝1,...,n，n＝2～7，K為陀螺儀的標度因數，Kd是不確定性總誤差系數；D測試時刻的不確定誤差量的總和；N為測量噪聲。如圖2所示，當沿著被測轉動軸Z有一個輸入角速度w時，則正向陀螺儀1的敏感軸OA1測量到的輸入角速度為+w，而負向陀螺儀2的敏感軸OA2測量到的輸入角速度為-w。為了區別兩個陀螺儀的參數，可以給正向陀螺儀參數標注下標p，給負向陀螺儀參數標注下標n。則根據公式(7)得出正向陀螺儀的輸入輸出關系如公式(8)所示：Gp-Σi=1nKpwi·Wpi=Kp·w+KpdD1+N1---(8)]]>其中，Gp為正向陀螺儀的輸出值，Kpwi為正向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Wpi表示正向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，，i＝1，...n，n＝2～7，N1為正向陀螺儀測試時的測量噪聲，D1為正向陀螺儀不確定性誤差總量，Kpd為正向陀螺儀環境系數。根據公式(7)得負向陀螺儀的輸入輸出關系如公式(9)所示：Gn-Σi=1nKnwi·Wni=Kn·(-w)+KndD2+N2---(9)]]>其中，Gn為反向陀螺儀的輸出值，Knwi表示負向陀螺儀第i個采樣點的確定性誤差項系數，Wni表示負向陀螺儀測試時刻第i個確定性誤差項，，i＝1，...n，n＝2～7，N2為負向陀螺儀測試時的測量噪聲，D2為反向陀螺儀不確定性誤差總量，Knd為反向陀螺儀環境系數。可以在已知輸入角速度w下，取一段時間內m個數據做平均，以消除噪聲N的影響，由(8)和(9)可得：K‾pd=1mΣj=1mKpd·Dp=1mΣj=1m(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w-N1)---(10)]]>K‾nd=1mΣj=1mKnd·Dn=1mΣj=1m(Gn-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w-N2)---(11)]]>相反方向上的兩個陀螺的環境系數比值Kbd為：Kbd=KpdKnd≈K‾pdK‾nd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w-N1)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi-Kni·w-N2)---(12)]]>其中，j表示每次參與數據平滑處理的數據個數，j＝1，...m，m＝8～30，Gpj表示正向陀螺儀第j個采樣點的輸出值，Gnj表示負向陀螺儀第j個采樣點的輸出值，w為測試時刻的輸入角速度。假設量測噪聲為白噪聲，則其數學期望值為零，則相反方向上的兩個陀螺的環境系數比值Kbd為：Kbd=1mΣj=1m(Gpj-Σi=1nKpwi·Wpi-Kp·w)1mΣj=1m(Gnj-Σi=1nKnwi·Wni-Kn·w)---(13)]]>將公式(8)減去公式(9)，并且兩端同時乘以Kbd，則可以獲得以下公式(14)：(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)=(Kp+Kbd·Kn)·w+(Kpd-Kbd·Knd)·D+(N1-Kbd·N2)---(14)]]>因為Kpd＝Kbd·Knd，則可以獲得以下公式(15)：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)-(N1-Kbd·N2)Kp+Kbd·Kn---(15)]]>陀螺儀的量測噪聲一般為高斯白噪聲Nc：Nc=N1-Kbd·N2Kp+Kbd·Kn---(16)]]>其中，N1為正向陀螺儀測試時的測量噪聲，N2為負向陀螺儀測試時的測量噪聲。將公式(16)帶入公式(15)，則輸入角速度w的實時解算公式化簡為 公式(17)：w=(Gp-Σi=1nKpwi·Wpi)-(Kbd·Gn-Σi=1nKbd·Knwi·Wni)Kp+Kbd·Kn-Nc---(17).]]>本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于系統實施例而言，由于其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上對本發明所提供的一種基于差分MEMS陀螺儀的高精度測量方法，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。當前第1頁1 2 3