MEMS陀螺误差辨识与补偿

　2010年第29卷第3期 传感器与微系统(T r a n s d u c e r a n dM i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s)

M E M S陀螺误差辨识与补偿

谈振藩,张勤拓

(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:由于制造工艺等原因,M E M S陀螺的随机漂移非常大,严重影响了系统的性能。通过自制的基于

M E M S的捷联惯导系统的相关实验,对M E M S陀螺的确定性误差和随机误差分别进行了辨识和补偿。完

成确定性误差补偿,对M E M S陀螺随机误差进行了时间序列分析,并建立了A R模型,根据所选模型参数

建立了随机误差的系统方程,采用经典卡尔曼滤波进行随机误差补偿。实验结果说明:无论是静态下还是

动态下,补偿后信号的方差都大大下降,说明了滤波效果较为明显,具有一定的工程应用价值。

关键词:M E M S陀螺;时间序列分析;A R模型;卡尔曼滤波

中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2010)03—0039—03

E r r o r i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o no f ME MSg y r o s c o p e

T A NZ h e n-f a n,Z H A N GQ i n-t u o

(C o l l e g e o f A u t o m a t i o n,H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n150001,C h i n a)

A b s t r a c t:M E M Sg y r o's r a n d o m d r i f t i s v e r yl a r g e,b e c a u s eo f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n do t h e r r e a s o n s,

w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t o n s y s t e mp e r f o r m a n c e.T h r o u g h e x p e r i m e n t s o f M E M S s t r a p d o w n i n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m,

d e t e r m i n i s t i c a n ds t o c h a s t i c e r r o r w a s i d e n t i f i e da n dc o m p e n s a t e d.A f t e r d e t e r m i n i s t i ce r r o r w a s c o m p e n s a t e d,t h e

s t o c h a s t i ce r r o r w a s a n a l y z e d b a s e d o nt i m e s e r i e s a n dA Rm o d e l w a s s e t u p.S y s t e m e q u a t i o no f s t o c h a s t i ce r r o r

w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o nt h e s e l e c t e dm o d e l a n dt h ee r r o r w a s c o m p e n s a t e db y K a l m a nF i l t e r.T e s t r e s u l t s s h o w

t h a t v a r i a n c e o f M E M S g y r o s c o p e s t o c h a s t i c e r r o r r e d u c e d g r e a t l y a f t e r f i l t e r,w h i c h i l l u s t r a t e s t h e f i l t e r i n g e f f e c t i s

o b v i o u s,a n d h a s a c e r t a i nv a l u e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n.

K e yw o r d s:M E M S g y r o s c o p e;t i m e s e r i e s a n a l y s i s;A Rm o d e l;K a l m a nf i l t e r

0　引　言

微机电系统(m i c r o-e l e c t r o-m e c h a n i c a l-s y s t e m,M E M S)陀螺仪已经出现了近二十年[1],与其他陀螺相比,M E M S陀螺在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势,但由于早期精度较低,并没有引起重视。近些年,随着微电子加工技术的发展,M E M S惯性传感器特别是陀螺仪的精度获得大幅度的提高。基于M E M S惯性传感器的惯性导航系统己成为当今惯性技术领域的一个重要的研究热点。西北工业大学的苑伟政教授提出了虚拟陀螺的概念,通过研究同类传感器的相关性来提高其测量精度;东南大学的吉训生博士,把形态学滤波的思想引入到M E M S陀螺降噪中,具有一定的理论研究意义[2]。另外,还有很多学者提出了新的思路和方法,并仿真取得了一定的效果。但目前的众多学者的研究多处于理论研究方面,大多集中在对漂移的离线降噪。

M E M S陀螺仪精度较低的主要原因是输出信号中随机噪声含量较大,因此,在使用前对陀螺随机误差进行辨识和

收稿日期:2010—01—04降噪处理是十分必要的[3]。目前常用的陀螺仪随机误差辨识方法有自回归滑动平均(A R M A)建模法、功率谱密度分析(P S D)法和A l l a n方差分析法[4]。哈尔滨工程大学的张树侠教授针对激光陀螺和光纤陀螺的特点,分别建立了A R M A模型[5,6];东南大学的吉训生在对M E M S陀螺随机漂移信号建立A R(2)模型后,采用鲁棒性很强的H

∞

滤波

方法,证明了H

∞

滤波效果和实时性比小波变换要好[7]。

本文针对实际系统,从陀螺测量模型出发,全面地辨识出陀螺各误差项,尤其对M E M S陀螺随机噪声进行了建模和补偿,具有一定的工程实用价值。

1　M E M S捷联惯导系统

M E M S捷联惯导系统由M E M SI M U,信号采集电路,导航计算机,显示器,数字式电子罗盘H M R3000,G P S,键盘和电源等组成。

M E M S惯性测量单元(M E M SI M U)由6只M E M S陀螺和6只M E M S加速度计组成。M E M S捷联惯导系统框图

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DOI:10.13873/j.1000-97872010.03.003