微机械陀螺仪的温度误差分析和模型研究

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1、微机械陀螺仪的温度误差分析和模型研究摘要：微机械陀螺仪是一种用于测量物体运动角速度的新型惯性器件。这种新型陀螺仪具有体积小、重量轻、可靠性高、抗冲击、易于数字化和智能化、能大批量生产等优点，是未来惯性技术向民用领域大量推广应用最有前途的仪表。但环境温度是对其性能有重大影响。本文主要对微机械陀螺仪的温度误差原因进行分析，并对现有温度误差分析补偿模型进行了介绍。关键词：微机械陀螺仪；温度误差；灰色模型；最小二乘法；小波网络法Theresearchonerroranalysisandmodelofmicro

2、electron-mechanicalgyroscope(CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)Abstract:Micromechanicalgyroscopeisanewinertialcomponent,whichisusedformeasuringthevelocityobjectmovement.Thisnewtypeofgyroscopeh

3、ascharacteristicssuchassmallsize,lightweight,highreliability,impactresistant,easytodigitalandintelligent,andmassproduction,soitisthefuturetechnologytocivilfieldlargeinertiapopularizationandapplicationofthemostpromisinginstrument.Butenvironmentaltemperat

4、urehasamajorimpactonitsperformance.Thispapermainlytoanalyzthemicromechanicalinnertemperatureerrorreason,andtheerroranalysisofexistingtemperaturecompensationmodelsareintroducedinthispaper.Keywords:microelectron-mechanicalgyroscope；temperatureerror；graymo

5、del；waveletnetwork陀螺仪又称角速度计，可以用来检测旋转角速度和角度。传统的机械陀螺、精密光线陀螺和激光陀螺等已在航空航天等军事领域得到广泛应用。但是无论从尺寸还是成本上，都不能满足微型武器的应用要求[1]。近年来，随着半导体技术集成电路微细加工技术的迅速发展，MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)惯性器件得到快速发展，微机械陀螺仪也得到快速发展，它具有体积小，抗冲击，可靠性高，寿命长，成本低等特点，在军事和民用等领域应用前景广阔[2]。据各国研究成果

6、表明，随着器件精度的不断提高，微机械陀螺仪技术必将在未来的军用及民用的相关领域中发挥越来越重要的作用[3]。但是由于性能限制，MEMS陀螺主用于中低精度导航。在微机械陀螺中的众多误差因素中，环境温度的影响是不可忽视的。因此对微机械陀螺仪的温度特性进行分析，并进行温度误差的建模和补偿是提高精度的有效手段，也是当前MEMS陀螺研究的热点之一。1.微机械陀螺仪的温度误差分析微机械陀螺仪的精度是决定惯性系统精度的核心因素，陀螺仪的精度较低，对姿态测量系统的动态性能影响很大。由于其对温度敏感度大，温度漂移成为其

7、主要的误差源之一。首先分析微机械陀螺仪的工作原理，然后分析温度对微机械陀螺仪的影响。1.1微机械陀螺仪的工作原理微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1.1所示。图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为z旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算[4]。(1-1)XYX(t)90()F(t)Z图1.1哥力氏现象1.1温度对微机械陀螺仪的影响角率随机游走目前针对零偏值影响因素的研究非常广泛。影响IMU陀螺仪的零偏值因素主要有:加速度计输出值、

8、安装误差、刻度因子、系统电路、温度。陀螺仪的误差主要包括确定性误差及随机误差，前者主要指扰动误差(敏感物理模型中的参数变化)和环境敏感误差(敏感环境的干扰)；后者指由不确定因素引起的随机漂移，主要包括速率随机游走、量化噪声和角度随机游走等。图1.2列出了陀螺的主要误差源。速率随机游走随机漂移微机械陀螺主要误差来源偏差系统漂移漂移量化噪音预热偏差变化率环境敏感漂移刻度因子非线性误差刻度因子误差运行偏差刻度因子温度敏感误差温度敏感漂移交叉耦合误差其它误差轴失