陀螺读出电路误差补偿算法研究与设计
发布时间：2021-08-31 14:37
微机械陀螺仪与其他传统陀螺仪相比,体积小,质量轻,特别是其低成本、适于大批量生产的优势使得微机械陀螺在日常生活中应用广泛,受到了人们的广泛关注。例如,在浸入式游戏中,可以在微机械陀螺帮助下,捕获游戏者的方位、动作和姿态,使游戏者获得更好的游戏体验。传统微机械陀螺使用模拟方式实现读出电路。模拟读出电路使用分立的模拟器件实现。模拟器件会随使用时间增加产生老化问题,并且容易受温度变化影响,这会导致模拟器件的参数偏离原先值,引起陀螺性能下降甚至失效。另外,由于微机械加工工艺的限制,陀螺表头的驱动轴和检测轴不总是相互垂直,这使得两轴会在陀螺使用期间产生耦合。这种因耦合导致的严重测量误差,被称为正交误差。为解决上述问题,本文提出了数字化陀螺读出电路和正交误差补偿算法。数字读出电路有固定的编码、固定的参数和固定的响应,与易受温度变化、器件老化等问题影响的模拟读出电路相比具有较大优势。为解决驱动轴与检测轴间的耦合问题,本文采用了数字I/Q解调方法,该方法将正交误差信号与真正角速度信号分离开。而且,本文使用改进PID控制器形成闭环控制系统,将正交误差信号反馈到陀螺表头,用于校正两轴不垂直引起的误差。本文...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根特大学微机械陀螺系统结构图
第一章绪论5图1-3亚琛工业大学微机械陀螺系统结构图2013年亚琛工业大学对微机械陀螺进行改进，图1-3为该陀螺系统结构图[20]。一般微机械陀螺检测轴谐振频率为10~30kHz，该微机械陀螺将检测轴谐振频率提升至100kHz，远高于其他陀螺。这样做一方面提高了系统的健壮性，另一方面导致正交误差问题更为突出。其正交误差补偿电路在FPGA上实现，通过精确补偿有效抑制系统内存在的正交误差。我国在微机械陀螺领域的起步较晚，经过科研人员长期不懈的努力，已经取得了令人欣喜的发展与进步。同济大学、北京大学、清华大学、中北大学等院校以及中电13所、6所、上海微系统等单位均对陀螺进行着深入研究，提出了新的架构，提高了陀螺的性能[21]。2014年，东南大学在已有微机械陀螺的基础上，对陀螺静电补偿与控制技术进行深入研究[22]。其检测轴采用基于比例积分相位超前控制器（PIPLC）和偶极子补偿器的闭环检测方案，有效地平衡了科里奥利力，提升了系统的动态性能。针对系统内的正交误差，该文献对双质量块整体校正方式和双质量块独立校正方式进行比较，证明了独立校正方式优于整体校正方式。
电子科技大学硕士学位论文6图1-4南京理工大学微机械陀螺结构原理图图1-4为南京理工大学2016年报道的振动式音叉陀螺的结构原理图[23]。该陀螺采用SOI工艺制造，采用真空封装。其驱动轴采用AGC闭环控制，检测轴工作方式为开环。读出电路采用ASIC集成技术，整个芯片供电电压为3.3V，功耗仅为8mW。测试结果表明，在保证量程为o±300/s的前提下，其带宽超过100Hz。此外，一些中国的商业公司，如深迪半导体公司也推出了自己的微机械陀螺芯片。深迪专注于消费者电子与汽车电子领域，拥有完全自主知识产权的MEMS工艺和集成技术[24]。1.3研究目的与指标微机械陀螺体积孝质量轻，易于集成，并且适合批量生产，成本低廉，在消费者电子领域应用广泛，比如手机、笔记本电脑、照相机、玩具、游戏机等等均使用微机械陀螺测量目标的角速度信息。因此，微机械陀螺受到人们广泛关注，是惯性传感器的研究热点之一。虽然国内MEMS行业不断努力，取得了可喜的成绩，但是我们依然要正视我国与国际在MEMS行业的差距。总体上讲，国内MEMS陀螺技术的研究落后于国际水平。国外商用陀螺仪比较普遍，但是成熟应用的国产商业化陀螺鲜有报道。以模拟方式实现的读出电路容易受外界因素、寄生效应等干扰，并且模拟器件会产生老化问题，导致电路参数发生变化，影响陀螺的性能。数字电路能够克服模拟电路的缺点，具有准确、适应性强等优点，并且数字电路容易对算法进行测试与优化。因此，实现微机械陀螺读出电路的数字化是一件非常有必要的事情。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于RWTLS的Allan方差算法简化[J]. 周晓敏,刘海颖,张俊杰. 测绘通报. 2020(03)
[2]2019年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,沈玉芃,徐月. 导航定位与授时. 2020(01)
[3]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[4]基于Allan方差和SVR的MEMS陀螺仪随机误差分析与预测[J]. 付永恒,张丽杰. 测绘通报. 2019(05)
[5]微机电系统发展现状及关键技术分析[J]. 刘洋. 新材料产业. 2019(03)
[6]四质量硅微陀螺阵列的正交误差校正系统分析[J]. 季奇波,张印强,杨波,李丽娟,刘琴,周中鑫. 仪表技术与传感器. 2019(01)
[7]MEMS惯性导航技术及其应用与展望[J]. 王思远,韩松来,任星宇,罗世林. 控制与信息技术. 2018(06)
[8]陀螺仪的历史、现状与展望[J]. 翟羽婧,杨开勇,潘瑶,曲天良. 飞航导弹. 2018(12)
[9]基于多FPGA的增强型SPI通信研究[J]. 孙少华,屈盼让,肖鹏,李庆楠. 电子测试. 2018(04)
[10]MEMS陀螺技术国内外发展现状简述[J]. 陈尚,张世军,穆星科,陈永强. 传感器世界. 2016(04)
博士论文
[1]硅微机械陀螺仪数字化静电补偿与调谐技术研究和实验[D]. 杨成.东南大学 2017
[2]提高硅微陀螺仪性能若干关键技术研究[D]. 施芹.东南大学 2006
硕士论文
[1]Sigma-Delta ADC中调制器与数字抽取滤波器的研究与设计[D]. 郝凯旋.西安电子科技大学 2019
[2]微机械陀螺误差补偿研究[D]. 张梦月.电子科技大学 2015
[3]Sigma-delta ADC中降采样数字滤波器的研究与设计[D]. 任雪.西安电子科技大学 2014
[4]电容式微机械陀螺仪读出电路研究与设计[D]. 张云福.电子科技大学 2014
[5]Sigma-Delta ADC数字抽取滤波器的设计与优化[D]. 尚文明.电子科技大学 2013
[6]光学陀螺测试及其应用[D]. 危志英.哈尔滨工程大学 2003
本文编号：3375066
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根特大学微机械陀螺系统结构图
第一章绪论5图1-3亚琛工业大学微机械陀螺系统结构图2013年亚琛工业大学对微机械陀螺进行改进，图1-3为该陀螺系统结构图[20]。一般微机械陀螺检测轴谐振频率为10~30kHz，该微机械陀螺将检测轴谐振频率提升至100kHz，远高于其他陀螺。这样做一方面提高了系统的健壮性，另一方面导致正交误差问题更为突出。其正交误差补偿电路在FPGA上实现，通过精确补偿有效抑制系统内存在的正交误差。我国在微机械陀螺领域的起步较晚，经过科研人员长期不懈的努力，已经取得了令人欣喜的发展与进步。同济大学、北京大学、清华大学、中北大学等院校以及中电13所、6所、上海微系统等单位均对陀螺进行着深入研究，提出了新的架构，提高了陀螺的性能[21]。2014年，东南大学在已有微机械陀螺的基础上，对陀螺静电补偿与控制技术进行深入研究[22]。其检测轴采用基于比例积分相位超前控制器（PIPLC）和偶极子补偿器的闭环检测方案，有效地平衡了科里奥利力，提升了系统的动态性能。针对系统内的正交误差，该文献对双质量块整体校正方式和双质量块独立校正方式进行比较，证明了独立校正方式优于整体校正方式。
电子科技大学硕士学位论文6图1-4南京理工大学微机械陀螺结构原理图图1-4为南京理工大学2016年报道的振动式音叉陀螺的结构原理图[23]。该陀螺采用SOI工艺制造，采用真空封装。其驱动轴采用AGC闭环控制，检测轴工作方式为开环。读出电路采用ASIC集成技术，整个芯片供电电压为3.3V，功耗仅为8mW。测试结果表明，在保证量程为o±300/s的前提下，其带宽超过100Hz。此外，一些中国的商业公司，如深迪半导体公司也推出了自己的微机械陀螺芯片。深迪专注于消费者电子与汽车电子领域，拥有完全自主知识产权的MEMS工艺和集成技术[24]。1.3研究目的与指标微机械陀螺体积孝质量轻，易于集成，并且适合批量生产，成本低廉，在消费者电子领域应用广泛，比如手机、笔记本电脑、照相机、玩具、游戏机等等均使用微机械陀螺测量目标的角速度信息。因此，微机械陀螺受到人们广泛关注，是惯性传感器的研究热点之一。虽然国内MEMS行业不断努力，取得了可喜的成绩，但是我们依然要正视我国与国际在MEMS行业的差距。总体上讲，国内MEMS陀螺技术的研究落后于国际水平。国外商用陀螺仪比较普遍，但是成熟应用的国产商业化陀螺鲜有报道。以模拟方式实现的读出电路容易受外界因素、寄生效应等干扰，并且模拟器件会产生老化问题，导致电路参数发生变化，影响陀螺的性能。数字电路能够克服模拟电路的缺点，具有准确、适应性强等优点，并且数字电路容易对算法进行测试与优化。因此，实现微机械陀螺读出电路的数字化是一件非常有必要的事情。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于RWTLS的Allan方差算法简化[J]. 周晓敏,刘海颖,张俊杰. 测绘通报. 2020(03)
[2]2019年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,沈玉芃,徐月. 导航定位与授时. 2020(01)
[3]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[4]基于Allan方差和SVR的MEMS陀螺仪随机误差分析与预测[J]. 付永恒,张丽杰. 测绘通报. 2019(05)
[5]微机电系统发展现状及关键技术分析[J]. 刘洋. 新材料产业. 2019(03)
[6]四质量硅微陀螺阵列的正交误差校正系统分析[J]. 季奇波,张印强,杨波,李丽娟,刘琴,周中鑫. 仪表技术与传感器. 2019(01)
[7]MEMS惯性导航技术及其应用与展望[J]. 王思远,韩松来,任星宇,罗世林. 控制与信息技术. 2018(06)
[8]陀螺仪的历史、现状与展望[J]. 翟羽婧,杨开勇,潘瑶,曲天良. 飞航导弹. 2018(12)
[9]基于多FPGA的增强型SPI通信研究[J]. 孙少华,屈盼让,肖鹏,李庆楠. 电子测试. 2018(04)
[10]MEMS陀螺技术国内外发展现状简述[J]. 陈尚,张世军,穆星科,陈永强. 传感器世界. 2016(04)
博士论文
[1]硅微机械陀螺仪数字化静电补偿与调谐技术研究和实验[D]. 杨成.东南大学 2017
[2]提高硅微陀螺仪性能若干关键技术研究[D]. 施芹.东南大学 2006
硕士论文
[1]Sigma-Delta ADC中调制器与数字抽取滤波器的研究与设计[D]. 郝凯旋.西安电子科技大学 2019
[2]微机械陀螺误差补偿研究[D]. 张梦月.电子科技大学 2015
[3]Sigma-delta ADC中降采样数字滤波器的研究与设计[D]. 任雪.西安电子科技大学 2014
[4]电容式微机械陀螺仪读出电路研究与设计[D]. 张云福.电子科技大学 2014
[5]Sigma-Delta ADC数字抽取滤波器的设计与优化[D]. 尚文明.电子科技大学 2013
[6]光学陀螺测试及其应用[D]. 危志英.哈尔滨工程大学 2003
本文编号：3375066
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