两轴平台稳定系统中MEMS陀螺误差建模与分析

摘要

平台稳定系统能隔离运动载体对探测系统的扰动,实时监测平台姿态和位置的变化,同时施加逆向力矩对外界干扰进行补偿,精确保持探测器动态姿态基准不变,并通过平台上的光电探测器实现对定目标的监测或运动目标的自动跟踪。陀螺仪是平台稳定系统中的核心敏感元件,其测量精度直接影响平台的稳定精度。MEMS陀螺具有重量轻、体积小、低价格、低功耗及高可靠性等优点,广泛应用于军事装备和民用设施中。但由于MEMS陀螺加工材料在微米量级以及加工工艺水平等方面的制约,目前国内外MEMS陀螺测量精度水平仍然较低,提高MEMS陀螺的测量精度是促进平台稳定系统小型化的关键。
　　本文设计了应用于微小型光电吊舱两轴平台稳定系统中 MEMS陀螺信号采集系统,并在采集系统中加入了以数字电位器为核心的陀螺零位调整电路,通过DSP实时控制数字电位器输出,实现对陀螺零位中心的调整。
　　环境温度变化是影响MEMS陀螺测量精度的最主要因素之一。由于MEMS陀螺微型化尺寸和内部构造,其性能对环境温度的变化十分灵敏。其中,温度变化对陀螺零位输出和标度因数影响最大。因此,本文设计了获取陀螺零位特性的全温测试实验与电源模拟陀螺零位变化时调整数字电位器的实验,研究获得陀螺零位补偿模型,并通过对数字电位器的控制实现零位中心的调整。温度补偿实验表明,采用全温测试以及数字电位器补偿的方法,陀螺在全温范围内的零位稳定精度得到较大的提高,具有一定的实用价值。设计了陀螺在不同温度下的转速标定实验,采用了三种标度因数拟合方法,通过拟合曲线残差的对比,得出按转速分段拟合方法残差最小,效果最佳。
　　陀螺随机漂移误差也是陀螺测量误差的主要来源之一。利用时间序列分析法对MEMS陀螺随机漂移采样数据进行ARMA建模,通过最小AIC准则确定AR(1)模型为最佳误差模型;在该模型的基础上,采用Kalman滤波方法对随机漂移数据进行滤波,对滤波前后陀螺随机误差进行Allan方差分析。结果表明,Kalman滤波方法在陀螺随机误差滤波中有效、可行。

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第一章 绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2 MEMS陀螺基本理论

1.3 MEMS陀螺国内外研究现状

1.4论文主要研究工作

第二章 MEMS陀螺信号采集系统设计

2.1陀螺模块设计

2.2陀螺信号采集系统硬件设计

2.3陀螺信号采集系统程序设计

2.4本章小节

第三章 MEMS陀螺零位漂移补偿方法研究

3.1陀螺零位漂移补偿方法

3.2全温测试实验及结果分析

3.3零位补偿模型

3.4零位补偿实验及结果分析

3.5本章小节

第四章 MEMS陀螺标度因数特性研究

4.1标度因数误差基本模型

4.2标度因数测试实验

4.3标度因数一次拟合模型

4.4标度因数分段拟合模型

4.5标度因数拟合结果分析

4.6本章小节

第五章 MEMS陀螺随机漂移误差模型及分析

5.1时间序列分析法

5.2陀螺随机误差的Allan方差分析

5.3陀螺随机误差滤波

5.4本章小节

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢