惯性测量组合温度漂移误差补偿技术研究

发布时间：2017-04-23 18:08

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【摘要】：随着MEMS技术的不断应用和创新,MEMS惯性器件(加速度计和陀螺仪)及其组合MIMU(Micro Inertial Measurement Unit,微惯性测量单元)以其尺寸小,功耗低,重量轻等优点广泛地应用于军事领域和诸多民用领域。然而由于MEMS惯性器件测量电路是由对温度较敏感的硅材料组成的,因此应用环境的温度变化对其测量会产生较大的影响。温度漂移误差是影响MEMS惯性器件测量精度的主要因素之一,如何减小这类误差成为亟待解决的问题,目前采用的方法主要归结为两种:硬件控制和软件补偿。本课题以MIMU为研究对象,对其温度漂移误差进行分析、测试和建模,最终进行补偿,具体从以下几个方面论述:首先,针对硅微机械振动陀螺仪和梳齿状电容式微加速度计,分析其组成结构、运动力学特性及工作原理,在此基础上阐述温度误差的产生机理,包括温度变化造成的谐振频率、品质因数、机械灵敏度等性能参数的变化,最终影响到零偏和标度因数的漂移,为温度建模补偿提供依据。其次,MIMU的标定是进行误差建模工作的基础,分析温度漂移误差是在标定的前提下进行的。通过标定建立MIMU的误差数学模型,设计合适的试验确定模型的零偏、标度因数和安装误差系数等24个参数,建立MIMU的加速度测量值a、角速率测量值w与输出电压值U的关系,为后续温度误差的分析建模和补偿研究奠定理论基础。最后,通过温度试验分析零偏和标度因数、安装误差系数等24个参数的温度特性,建立MIMU的温度误差补偿模型,即采用软件补偿的方案对MIMU的输出进行补偿,补偿思想是将MIMU的加速度测量值a、角速率测量值w与零偏、标度因数、安装误差系数以及输出电压值U统一建立温度补偿关系。试验结果证明了MIMU的误差补偿模型可以有效地减小MIMU在变温环境下加速度和角速率测量误差。
【关键词】：MEMS惯性器件 惯性测量组合 数学模型 温度补偿
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题研究的背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状总结11-17
• 1.2.1 MEMS惯性器件及MIMU发展概况11-15
• 1.2.2 MEMS惯性器件及MIMU温度漂移补偿研究现状15-17
• 1.3 课题研究的目的及工作安排17-19
• 2 MIMU温度漂移影响机理分析19-36
• 2.1 MIMU的组成及简介19-20
• 2.2 陀螺仪的工作原理20-25
• 2.2.1 陀螺仪基本结构及原理分析20-23
• 2.2.2 陀螺仪的运动分析23-25
• 2.3 加速度计工作原理25-29
• 2.3.1 加速度计基本结构及原理分析25-27
• 2.3.2 加速度计的运动分析27-29
• 2.4 陀螺仪的温度误差机理分析29-33
• 2.4.1 温度对谐振频率的影响29-31
• 2.4.2 温度对品质因数的影响31-32
• 2.4.3 温度对陀螺仪机械灵敏度的影响32-33
• 2.4.4 温度对其它材料性能的影响33
• 2.5 加速度计温度漂移误差机理分析33-35
• 2.5.1 加速度计零偏的温度误差机理分析33-34
• 2.5.2 加速度计标度因数的温度误差机理分析34-35
• 2.6 MIMU温度误差表现形式35
• 2.7 本章小结35-36
• 3 MIMU测量误差标定与分析36-46
• 3.1 MIMU的误差分析和数学模型36-38
• 3.1.1 MIMU加速度计的误差数学模型36-37
• 3.1.2 MIMU陀螺仪的误差数学模型37-38
• 3.2 试验方案设计38-41
• 3.2.1 位置试验38-41
• 3.2.2 速率试验41
• 3.3 试验结果分析与处理41-44
• 3.4 温度传感器的标定44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 4 MIMU温度特性研究及补偿46-64
• 4.1 试验条件46-47
• 4.2 重复性测试47-49
• 4.3 温度补偿方案设计49-51
• 4.3.1 系统辨识49-50
• 4.3.2 补偿思想50-51
• 4.4 MIMU温度特性测试与标定51-52
• 4.5 试验数据分析与补偿52-63
• 4.5.1 加速度测量的误差建模及补偿52-58
• 4.5.2 角速率测量的误差建模及补偿58-63
• 4.6 本章小结63-64
• 5 总结和展望64-66
• 5.1 全文研究总结64-65
• 5.2 未来工作展望65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果70-71
• 致谢71-72

【参考文献】

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本文编号：322801