惯性测量组合温度漂移误差补偿技术研究

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。

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1绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状总结

1.3 课题研究的目的及工作安排

2 MIMU温度漂移影响机理分析

2.1 MIMU的组成及简介

2.2陀螺仪的工作原理

2.3加速度计工作原理

2.4陀螺仪的温度误差机理分析

2.5加速度计温度漂移误差机理分析

2.6 MIMU温度误差表现形式

2.7本章小结

3 MIMU测量误差标定与分析

3.1 MIMU的误差分析和数学模型

3.2试验方案设计

3.3试验结果分析与处理

3.4温度传感器的标定

3.5本章小结

4 MIMU温度特性研究及补偿

4.1试验条件

4.2重复性测试

4.3温度补偿方案设计

4.4 MIMU温度特性测试与标定

4.5试验数据分析与补偿

4.6本章小结

5总结和展望

5.1全文研究总结

5.2未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢