Mems一体化imu温度补偿改进方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种MEMS —体化IMU温度补偿改进方法，适用于惯性导航、导航制导与控制、微机电加工制造领域。
【背景技术】
[0002]就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化领域的信号探测系统产生了深远的影响。低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用于手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。
[0003]中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统(ESP或ESC)GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。
[0004]高精度的MEMS惯性传感器作为军用级以及宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。
[0005]过去三年，全球MEMS惯性传感器的发展趋势正向两极化发展，一方面消费电子类应用、应用领域不断扩展，需求迅速提高，引来制造商不断增加，竞争加剧，单价不断下降；另一方面，工业级和军用级应用精度不断提高，单价上升很快。
[0006]现有低端陀螺，其静态模型的建立主要是以温度建立索引表(即翻滚法，如美国霍尼维尔Honeywell公司，美国Crossbow公司等)，主要考虑了不同温度工作时，温度对陀螺零漂、陀螺比例因子、陀螺安装误差的影响。
[0007]然而，影响陀螺静态模型的温度还有很多，主要有:起始工作(即开机)、起始温度、温度变化、温度梯度、温变速率、转动速率、转动方向等因素。低精度MEMS陀螺的精度同样受温度、温度梯度等的影响，也有着较明显的非线性，并存在着与g有关项。如何针对MEMS陀螺，建立起更精确的模型，进一步做多因素方差分析，剔除噪声影响和次要因素，对陀螺静态模型进行更准确的描述，有助于系统信息融合性能的提高。
[0008]总体来说，温度对MEMS器件的影响巨大。如果能有效地使用温度补偿方法，可以大幅度提高MEMS陀螺仪的精度和稳定性。
【发明内容】
[0009]本发明公开了一种MEMS —体化IMU温度补偿改进方法，使用MEMS器件内部温度传感器，对MEMS陀螺仪的振动进行补偿，同时将滤波后的温度输出，用于IMU的部件级补偿。为了减小温度对MEMS陀螺振动频率的影响，采用内部温度传感器进行温度补偿。由于温度变化会增加补偿噪声，本发明为了减小温度变化对补偿效果的影响，对温度传感器输出的温度进行滤波，使用平稳的温度数据进行建模补偿。同时，将滤波后的温度数据输出，使用同一个温度对陀螺仪和頂U进行温度补偿，增强了 MEMS陀螺和頂U部件补偿的一致性。
[0010]本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下。
[0011]1、适用范围广，可以用于多种MEMS传感器应用领域。
[0012]2、没有增加额外硬件，使用MEMS器件内部自带的温度传感器获取数据，实现了数据复用和共享。
[0013]3、利用MEMS器件内部自带的处理器进行温度数据滤波，充分利用FPGA的并行计算能力，没有明显增加系统运算负担。
[0014]4、MEMS陀螺仪和MEMS IMU使用同一个温度源进行温度补偿，实现了温度补偿的一致性。
[0015]本发明的技术创新性包括如下几点。
[0016]1、完成高精度MEMS陀螺仪的原型开发，定型产品生产并广泛应用于国内外航空市场。
[0017]2、采用两级温度补偿方法降低MEMS陀螺仪的温漂，解决陀螺仪应用中作重要的全温工作问题。
[0018]3、使用小波分析方法对陀螺数据进行分析，建立MEMS陀螺仪误差模型，为MEMS陀螺的应用提供数学支撑。
[0019]4、开发一体化标定算法，提高陀螺仪标定效率，保证陀螺仪能够量产。
【附图说明】
[0020]图1是基于MEMS技术的陀螺仪基本原理图。内框框架及垂直的质量快可以看作是陀螺元件，外框支架可以看作是电机，每一个框架通过一套正交的挠性轴与另外一个框架相连。其中外框挠性轴为振动驱动轴，内框挠性轴为振动输出轴。这些轴在旋转方向刚度较低，在其他方向刚度较强。当外框架轴以一个小角度振动时，内框轴就敏感到沿垂直于框架平面的轴出现的角速率，内框架将以与输入角速率成比例的幅度振动，振动频率与外框架振动频率相同。这些振动的驱动和检测都是通过静电电容元件来实现的，把电极安装在内外框架上方，通过测量内框架与电极之间的电容变化，可以检测出内框架振动的振幅，从而测出角速率的大小。
[0021]图2是MEMS陀螺仪结构图。通过在芯片级集成温度传感器，实时监控陀螺的温度，建立硅片与挠性支架的温度模型，通过温度模型对陀螺的振动频率进行补偿。
【具体实施方式】
[0022]1、对驱动电路进行实时补偿。
[0023]陀螺信号的检测是通过片上的电容实现的，为了保证信号读出的准确性，必须保证电容的精度，尽量减小分布电容，在芯片上增加前级运放，降低信号的噪声。
[0024]2、增加片上自检电路。
[0025]片上自检电路同时也是监控电路，有时MEMS陀螺仪精度降低的原因是片上功能电路出现故障。如果故障不明显，通过输出接口是无法直接进行陀螺故障检测的。如果在芯片上增加功能检测模块，可以实时监控内部电流源、电压源、分布电容电阻以及补偿电路的状态，当出现问题的时候直接通过422接口输出故障状态，便于分析陀螺精度降低的原因。
[0026]3、采取恒幅、高Q值频率跟踪谐振器控制技术。
[0027]采用自激振荡频率跟踪控制技术，以保证谐振器的恒幅、高Q值的高度稳定性。
[0028]4、使用小波分析方法进行陀螺数据处理。
[0029]小波分析是现代信号处理方法的一种，可以再时域和频域对信号进行分析。信号分解流程如下所示。通过对陀螺信号的分析，设计合理的滤波频率，既保证MEMS陀螺的带宽，有保证陀螺的精度。
[0030]5、对MEMS陀螺进行全量程全温度误差建模。
[0031]通过本公司的MEMS陀螺误差建模方法，建立陀螺的误差模型，通过数据补偿算法，提供用户高精度的陀螺数据。
【主权项】
1.本发明是一种基于MEMS—体化頂U的温度补偿改进方法，使用MEMS器件内部温度传感器，对MEMS陀螺仪的振动进行补偿，同时将滤波后的温度输出，用于IMU的部件级补mIz? O2.根据权利要求1所述的MEMS—体化IMU温度补偿改进方法，其特征是:为了减小温度对MEMS陀螺振动频率的影响，采用内部温度传感器进行温度补偿。3.根据权利要求1所述的MEMS—体化IMU温度补偿改进方法，其特征是:为了减小温度变化对补偿效果的影响，对温度传感器输出的温度进行滤波，使用平稳的温度数据进行建模补偿。4.根据权利要求1所述的MEMS—体化IMU温度补偿改进方法，其特征是:为了进行MEMS陀螺和頂U部件补偿的一致性，将滤波后的温度数据输出，使用同一个温度对陀螺仪和IMU进行温度补偿。
【专利摘要】本发明是一种基于MEMS一体化IMU温度补偿的改进方法，使用MEMS器件内部温度传感器，对MEMS陀螺仪的振动进行补偿，同时将滤波后的温度输出，用于IMU的部件级补偿。为了减小温度对MEMS陀螺振动频率的影响，采用内部温度传感器进行温度补偿。由于温度变化会增加补偿噪声，本发明为了减小温度变化对补偿效果的影响，对温度传感器输出的温度进行滤波，使用平稳的温度数据进行建模补偿。同时，将滤波后的温度数据输出，使用同一个温度对陀螺仪和IMU进行温度补偿，增强了MEMS陀螺和IMU部件补偿的一致性。
【IPC分类】G01C21/16
【公开号】CN105091883
【申请号】CN201510499372
【发明人】不公告发明人
【申请人】宋长峰
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月14日