MEMS惯性测量单元设计与相关技术研究

发布时间：2021-07-20 13:16

　　随着技术的发展,MEMS惯性测量单元的精度不断提高,又因其具有体积小、功耗低、成本低等优点,在越来越多的领域得到了广泛应用。MEMS惯性测量单元的研制对国民经济和国防建设都具有重要的价值。基于硅微陀螺仪和硅微加速度计,本文针对某水下装置研制了一款MEMS惯性测量单元,并对系统中硅微陀螺仪的温度补偿技术和惯性测量单元的耦合误差补偿技术进行了研究。全文的主要内容如下:（1）分析了硅微陀螺仪、硅微加速度计的动力学模型和工作原理,对硅微陀螺仪温度误差来源进行了分析,表明其主要来源于材料和电路元器件的温度特性,介绍了MEMS惯性测量单元的误差分类,为后续温度补偿和耦合误差补偿提供了基础。（2）针对MEMS惯性测量单元的应用环境和工程需求,进行了系统机械结构设计和模态、谐响应、瞬态响应仿真分析,完成了硅微陀螺仪测控电路、加速度计配置电路和信号采集及数据处理FPGA数字电路设计与优化,系统软件框架及信号采集、数据处理和通信等软件的设计,实现了 MEMS惯性测量单元样机。（3）基于温度对硅微陀螺仪品质因数、固有频率和零偏影响机理的分析,分别设计了线性和分段线性模型对陀螺仪的常温和全温零偏输出进行离线和... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：91 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 国内外研究概况
        1.2.1 MEMS陀螺仪和加速度计
        1.2.2 MEMS惯性测量单元
        1.2.3 硅微陀螺仪温度补偿技术
        1.2.4 MEMS惯性测量单元误差建模及补偿技术
    1.3 课题研究的目的及意义
    1.4 论文主要内容
第二章 MEMS惯性测量单元的基础理论
    2.1 引言
    2.2 MEMS惯性器件的基本原理
        2.2.1 硅微陀螺仪的基本原理
        2.2.2 硅微加速度计的基本原理
    2.3 硅微陀螺仪温度误差来源
        2.3.1 陀螺仪材料温度特性和封装技术引入误差
        2.3.2 电路元器件温度特性引入误差
    2.4 MEMS惯性测量单元误差分类
    2.5 本章小结
第三章 MEMS惯性测量单元设计与实现
    3.1 引言
    3.2 MEMS惯性测量单元应用环境与工程需求分析
        3.2.1 应用环境
        3.2.2 工程需求
    3.3 MEMS惯性测量单元机械结构设计与有限元分析
        3.3.1 机械结构设计
        3.3.2 安装框架有限元分析
    3.4 MEMS惯性测量单元硬件电路设计与实现
        3.4.1 硅微陀螺仪测控电路仿真与实现
        3.4.2 硅微加速度计配置电路
        3.4.3 FPGA信号采集及数据处理电路
    3.5 系统软件设计与实现
        3.5.1 软件整体框架
        3.5.2 陀螺仪和加速度计信号采集
        3.5.3 数据处理与误差补偿
        3.5.4 RS485串口通信
    3.6 本章小结
第四章 硅微陀螺仪温度补偿技术研究
    4.1 引言
    4.2 温度对硅微陀螺仪的影响机理分析
        4.2.1 温度对陀螺仪品质因数的影响
        4.2.2 温度对陀螺仪固有频率的影响
        4.2.3 温度对陀螺仪零偏的影响
    4.3 硅微陀螺仪常温零偏温度补偿仿真与实验
        4.3.1 常温零偏温度补偿实现方法
        4.3.2 陀螺零偏相关性能测试及计算方法
        4.3.3 温度补偿方法离线仿真
        4.3.4 常温零偏温度补偿实验验证与结果分析
    4.4 硅微陀螺仪全温零偏温度补偿仿真与实验
        4.4.1 全温零偏温度补偿实现方法
        4.4.2 温度补偿方法离线仿真
        4.4.3 全温零偏温度补偿实验验证与结果分析
    4.5 本章小结
第五章 MEMS惯性测量单元耦合误差建模及补偿技术研究
    5.1 引言
    5.2 MEMS惯性测量单元误差分析
        5.2.1 零偏和标度因数误差
        5.2.2 交叉轴耦合误差
        5.2.3 陀螺仪g敏感性误差和加速度计角速度敏感性误差
    5.3 MEMS惯性测量单元耦合误差建模与解耦设计
        5.3.1 陀螺仪耦合误差建模
        5.3.2 加速度计耦合误差建模
        5.3.3 耦合误差模型解耦计算
    5.4 标定实验与耦合误差补偿模型参数计算
        5.4.1 耦合参数测试标定
        5.4.2 耦合误差补偿模型参数计算
    5.5 误差补偿效果验证与结果分析
        5.5.1 耦合误差补偿实验
        5.5.2 陀螺仪g敏感性补偿实验
    5.6 本章小计
第六章 MEMS惯性测量单元性能实验
    6.1 引言
    6.2 MEMS惯性测量单元样机及实验设备
        6.2.1 MEMS惯性测量单元样机
        6.2.2 实验设备
    6.3 性能测试方法及计算方法
        6.3.1 性能测试方法
        6.3.2 计算方法
    6.4 性能实验
        6.4.1 标度因数
        6.4.2 常温零偏
        6.4.3 全温零偏
        6.4.4 量程及系统功耗
    6.5 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 未来展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]三轴高g压阻式微加速度计的设计[J]. 林杰,林立伟,郭航.  厦门大学学报(自然科学版). 2014(04)
[2]硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计[J]. 王帆,董景新,赵淑明,严斌.  中国惯性技术学报. 2014(02)
[3]改善MEMS陀螺误差温度稳定性的驱动力补偿方法[J]. 刘宇航,陈志勇,张嵘.  清华大学学报(自然科学版). 2013(04)
[4]大温差应用环境下的MEMS陀螺零偏补偿研究[J]. 赵旭,苏中,马晓飞,田少欣.  传感技术学报. 2012(08)
[5]温度对硅纳米薄膜杨氏模量的影响[J]. 谭一云,于虹,黄庆安,刘同庆.  电子器件. 2007(03)
[6]自适应Kalman滤波在MEMS陀螺仪信号处理中的应用[J]. 吉训生,王寿荣,许宜申,盛平.  传感器与微系统. 2006(09)
[7]梯度RBF神经网络在MEMS陀螺仪随机漂移建模中的应用[J]. 王昊,王俊璞,田蔚风,金志华.  中国惯性技术学报. 2006(04)
[8]小波变换在MEMS陀螺仪去噪声中的应用[J]. 吉训生,王寿荣.  传感技术学报. 2006(01)

硕士论文
[1]MIMU器件参数辨识及误差补偿技术研究[D]. 吴纾婕.北京理工大学 2015
[2]微惯性测量单元标定与温度补偿技术研究[D]. 朱加义.哈尔滨工程大学 2013
[3]硅微陀螺的温度特性研究[D]. 满海鸥.国防科学技术大学 2009
[4]FOG捷联惯导系统标定和误差补偿技术研究[D]. 罗超.哈尔滨工程大学 2006



本文编号：3292894