基于阵列技术的MEMS虚拟陀螺技术研究

发布时间：2017-03-18 22:06

  本文关键词：基于阵列技术的MEMS虚拟陀螺技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于MEMS技术的微陀螺(microgyro)具有体积小、重量轻、价格低、寿命长和易于批量生产等诸多优点,具有广阔的应用前景。然而,由于工艺、检测电路等条件的限制,目前微陀螺的精度普遍较低,制约了其在高端领域的应用,国内更是与国外有较大的差距。因而研究如何有效提高微陀螺的精度具有十分重要的理论和战略意义。 本文提出了基于阵列技术的MEMS虚拟陀螺系统,一方面从硬件改进角度设计一款常压下具有高品质因数(Q值)的微陀螺;另一方面从软件补偿角度,通过卡尔曼滤波器将多个该类陀螺组成的陀螺阵列融合成一个高精度的虚拟陀螺。 论文的主要研究内容包括: (1)阐述了科氏效应振动式微陀螺的理论基础、分类、关键部件,清晰地提出了以设计指标为目标,以设计准则为原则,以工艺和电路水平为约束的微陀螺集成设计方法。 (2)基于现有的需求分析、工艺条件和电路水平,在西北工业大学的MEMS Garden集成设计平台上设计出了一款结构上对称解耦且驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼的微陀螺。测试结果表明该款陀螺在常压下具有较高的检测品质因数。 (3)详细研究了常见的微陀螺随机误差模型和Allan方差建模方法;并将Allan方差建模结果直接应用到微陀螺的随机误差模型中。 (4)国内首次提出基于多个同类传感器数据融合的虚拟陀螺概念;采用卡尔曼滤波算法设计了虚拟陀螺的最优估计滤波器;在Simulink仿真平台上实现了该滤波器并结合三个微陀螺的零漂数据进行了滤波实验。实验结果表明,三个偏置稳定性为35deg/hr的微陀螺,滤波后偏置稳定性最低降至0.15deg/hr,即漂移性能提高了约233倍。 本文基于软件和硬件相融合的MEMS虚拟陀螺技术研究,对于提高微陀螺的设计水平、促进微陀螺在高端领域的应用具有非常重要的参考价值。
【关键词】：微陀螺 虚拟陀螺 集成设计 高品质因数 随机误差模型 Allan方差 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-5
• 目录5-8
• 插图8-10
• 表格10-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 高Q值陀螺的设计12-13
• 1.2.2 陀螺软件补偿技术13-15
• 1.3 本论文的技术方案15-16
• 1.4 论文的主要研究内容16-17
• 第2章 微陀螺理论基础17-31
• 2.1 科氏效应振动式陀螺基本原理17-19
• 2.2 振动式微陀螺分类19-22
• 2.2.1 驱动模态在平面内、检测模态在平面外(X、Y轴陀螺)19-21
• 2.2.2 驱动模态和检测模态均在平面内(Z轴陀螺)21-22
• 2.3 微陀螺关键部件22-28
• 2.3.1 电容器22-26
• 2.3.2 挠性粱26-27
• 2.3.3 解耦结构27-28
• 2.4 微陀螺的设计方法28-30
• 2.4.1 设计准测28
• 2.4.2 集成设计方法28-29
• 2.4.3 MEMS Garden集成设计平台29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 虚拟陀螺硬件设计31-53
• 3.1 陀螺结构方案31-33
• 3.1.1 需求分析31-32
• 3.1.2 方案制定32-33
• 3.2 系统级分析33-37
• 3.2.1 频域分析34-35
• 3.2.2 时域分析35-36
• 3.2.3 Pull-in验证36
• 3.2.4 陀螺结构参数确定36-37
• 3.3 器件级分析37-44
• 3.3.1 谐振频率和刚度系数37-39
• 3.3.2 阻尼和品质因数(Q)39-42
• 3.3.3 检测模态中心电容42-43
• 3.3.4 机械灵敏度43-44
• 3.3.5 性能参数总结44
• 3.4 工艺级分析44-51
• 3.4.1 加工工艺简介45-46
• 3.4.2 陀螺版图制作46-48
• 3.4.3 工艺级几何仿真48-51
• 3.5 陀螺测试结果51-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 微陀螺随机误差建模53-66
• 4.1 误差源分类53-54
• 4.2 随机误差模型与常见的建模方法54-56
• 4.2.1 随机误差模型54-55
• 4.2.2 随机误差建模方法55-56
• 4.3 Allan方差建模方法56-59
• 4.3.1 Allan方差计算方法56-57
• 4.3.2 陀螺各项随机误差的辨识57-59
• 4.3.3 Allan方差计算时的注意事项59
• 4.4 随机误差建模实验59-65
• 4.4.1 随机误差模型和建模平台的验证59-63
• 4.4.2 微陀螺随机误差建模实验63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 虚拟陀螺软件滤波器设计66-79
• 5.1 滤波算法和仿真平台选型66-67
• 5.2 卡尔曼滤波理论基础67-71
• 5.2.1 最小方差估计理论67-68
• 5.2.2 连续系统的离散化68-69
• 5.2.3 离散型卡尔曼滤波基本方程69-71
• 5.3 滤波器设计71-74
• 5.4 虚拟陀螺实验74-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第6章 总结与展望79-81
• 参考文献81-84
• 附录 虚拟陀螺滤波器Simulink流程图84-89
• 硕士期间发表的论文及参与的课题89-90
• 致谢90-91
• 西北工业大学 学位论文知识产权声明书91
• 西北工业大学学位论文原创性声明91

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吉训生;王寿荣;;硅微陀螺阵列信号处理技术研究[J];宇航学报;2009年01期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 夏全喜;车载组合导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 梁海波;基于陀螺冗余的微惯性系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

3 张文博;导引头伺服机构工作特性与先进测控方法研究[D];国防科学技术大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 赵静;基于粒子滤波的陀螺误差建模及补偿技术研究[D];中北大学;2010年

2 王瑜;数字化铁饼的硬件电路系统研究[D];北方工业大学;2012年

3 王翔宇;基于MEMS惯性器件的分布式导航系统研究[D];上海交通大学;2013年

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本文编号：255090