乔会敏-MEMS惯性器件参数辨识及误差补偿技术研究.doc

[2] .第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义 本课题的研究目的是针对微小型低成本 MEMS 惯性器件在微小型飞行器上实现高精度的无人导航、制导与控制(Micro Guidance Navigatiaon and Control 简称MGNC)本文的研究是基于低成本 MEMS 惯性测量单元的误差建模、标定、随机误差滤波在现今的世界格局中，战争以信息化电子战对抗为主,重点是发展精确制导武器, 实现中远程精确打击和非接触式作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力 [1]特别是现今对传统的压制性武器上的应用，微小型低成本惯性技术对加强武器系统和提高作战能力的应用上起到了关键的技术，是国防科技的重要发展方向之一基于微机电技术(Micro Electromechanical Systems,简称 MEMS)惯性器件的微惯性测量单元(Micro-Inertial Measurement Unit,简称 MIMU)具有成本低、体积小、功耗低、可靠性高且便于产量化生产和安装使用等优点，可测量载体的角速度、角位置和加速度等运动信息，是导航制导系统的核心部件，没有高精度的 MIMU提供高精度的测量信息，微小型导航制导飞行器无法实现其应有的功能和任务 [2][3]。

其中，MEMS 惯性器件是 MIMU 的核心器件，决定着 MIMU 的成本、体积以及使用性能，并且决定着 MIMU 的发展水平但是，MEMS 惯性器件的结构特点和制造工艺决定了测量水平的精度，特别是国外对我国的武器禁运致使国内的低成本 MEMS 惯性器件都是民用级别的且误差相当大，因此，在研究高性能微小型低成本 MEMS 惯性测量单元的基础上，通过对惯性器件输出的误差进行建模、标定和补偿的方法提高 MEMS 惯性器件的测量精度从而提高导航的性能是一种有效的途径 [4]1.2 微机械陀螺仪加速计结构发展与工作原理1.2.1 硅MEMS陀螺仪结构发展现状.[1] .自从德国V2火箭使用机械陀螺仪导航之后，陀螺仪经过六、七十年的的发展，已经从传统的以旋转刚体的进动性敏感惯性运动的机电装置，发展到以萨格奈克效应(Sagnac) 的光学陀螺( 光纤陀螺和激光陀螺) ，以及当今正迅速兴起的精密微机械、精密微电子、集成半导体电路工艺等具有前沿科学新技术的MEMS陀螺 [5][6]从20世纪70年代末80年代初始，随着MEMS制造技术的快速发展，以MEMS技术为基础的微机械陀螺由于其体积小，价格低，功耗低、可与电路集成、易于批量生产等特点，具有广泛的应用前景，得到了各国的重视，已成为目前最新研究的重点，并有部分产品成功的投入了市场。

美国Draper实验室一直是微机械陀螺仪发展水平的代表，根据美国Draper实验室的发展微机械陀螺仪正在向低成本和高精度两个方向发展(如图1.1所示)图1.1 陀螺仪发展趋势1.2.1.1 国内外微机械陀螺仪发展现状1988年美国的Draper实验室成功的研制出来第一个微机械MEMS陀螺仪如图1.2所示，该陀螺仪由驱动框架和检测框架够成 [7][8][9]当系统存在绕Z轴的旋转时，检测框架在哥氏力作用下检测质量块绕检测轴振动，振动的幅度与输入的角速度或角加速度成正比从而引起检测电容值的变化，在经过前置放大、调制解调后输出电压信号，电压信号正比于角速度输入的信号但是该结构的陀螺仪，有害信号的频率和有信号的振动频率相同，很难消除，所以该种陀螺仪的噪声信号相当大[2] .图1.2 外框架驱动式陀螺仪在1993年美国Draper 实验室又研制出了一种双质量块音叉式微机械陀螺仪，它包括由弹性支撑梁支撑的双质量块，每个质量块得两侧呈梳齿结构，并且底座也是梳齿结构，当质量块检测到垂直于他方向的运动的角速度时，底座与检测质量块构成的差分电容，来检测输入的角速度这种结构的陀螺仪通过差分检测可以较小或消除采集信号的干扰和零偏漂移。

结构如图1.3所示：图 1.3 双质量块梳齿结构陀螺仪在2002年ADI公司对微机械陀螺仪的生产实现了革命性的变化，对自己研制的双质量块音叉式微机械陀螺仪实现了商业性的量产，并以每只10美元的价格向市场出售 [10][11]该型陀螺仪采用表面微机械工艺制作，采用梳齿电极驱动和梳齿电极检测，并将信号处理电路和陀螺仪芯片完全集成在一起，信号处理电路和陀螺仪芯片底部视图分别如图1.4和图1.5所示[1] .图1.4 ADXRS150信号处理电路图1.5 ADI生产的微机械陀螺仪芯片 其生产的 ADXRS150 型的陀螺仪测量范围为-150°/s~+150°/s，工作电压为5V，带宽为 40Hz，灵敏度为 12.5mV/°/s，角速度随机游走为 0.05°/s/ Hz，使用温度范围为-40 ℃~+80℃1.2.1.2 国内陀螺仪发展现状在 MEMS 技术的研究方面我国的起步就比较晚直到 20 世纪 80 年代末 90 年代初才开始从事 MEMS 陀螺仪的研究工作，截止目前，已有多家科研院所，高等院校对微机械陀螺仪进行了深入的研究其中，高等院校有清华大学、北京大学、东南大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、西北工业大学、中北大学，科研院所有航天集团、中国电子科技集团第十三研究所、航空集团。

到目前，中国电子科技集团第十三研究所已经研制出了多种 MEMS 陀螺仪如图 1.6 所示其中一款的量程达到了±500°/s ，零偏稳定性达到了 10.8°/h中科院上海微系统所研制的栅结构微机械振动式陀螺仪，如图 1.7 所示，角速度测量范围为±300°/s，非线性度和刻度因子分别为 0.56%和 0.2mV/(°/s)在 2003 和 2006 年清华大学和东南大学研制的陀螺仪分别研制出了振动轮式微机械陀螺仪和梳状线振动驱动式陀螺仪，如图 1.8 和图 1.9 所示清华大学研制的陀螺仪达到了国外水平，噪声达.[2] .到了 30°/h，符合了国军标的 50°/h，但是量程未达到高转速至少所要求的 1000°/h东南大学研制的陀螺仪在刻度因数、线性度和输出噪声功率谱分别为12mV/(°/s)，线性度 0.0758%，陀螺输出噪声功率谱噪声低于 31.6μV/Hz 都达到了国外同期的水平这些高校和科研院所各有特色，并取得了一定的研究成果 [12]综上所述，我国在学习国外的研制微机械陀螺仪技术的基础上，研制出了多款不同结构的微机械陀螺仪，但是国内硅 MEMS 陀螺仪在精度和抗干扰方面与国外同期水平仍有相当大的差距，所以，在借鉴国外先进的设计技术和经验的同时，应进一步研究新型结构的硅 MEMS 陀螺仪。

图 1.6 中电十三所研制的陀螺仪 图 1.7 上海微系统与信息技术研究所栅结构陀螺图 1.8 清华大学研制的陀螺仪 图 1.9 东南大学研制的陀螺仪1.2.2 硅 MEMS 角加速度计发展现状美国的 ADI 公司是将加速计电路和结构最早集成的，并在 1993 年用表面硅工艺生产技术生产出第一只加速计以来，以 ADXL50 为代表的加速计到目前为止在全球的销售已达到 3 亿只 [13][14]其器件性能高、成本低、体积小引领了加速计在未来的发展方向，但是此类传感器针对于汽车安全气囊、医疗等民用领域如图 1.10 所示[1] .图 1.10 ADXL50 芯片在高精度体硅工艺硅微加速计以 Litton SiACTM 加速计为典型代表，如图1.11 所示，刻度因数的稳定性小于 5×10-5 ，量程超过 100g，零偏小于 20μg采用全硅结构，功耗低、质量轻、体积小这类加速度计已经在导航制导的小型无人飞行器和短程的战术级制导弹药上使用和投入实战图 1.11 Litton SiACTM 加硅加速度计在我国加速度计的发展虽然起步晚，但是在加速计性能使用方面已经达到国外同期的水平，其中，研制单位有，北京大学、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、中北大学、中电四十九所、上海微系统所、中电十三所等。

但无论是通过体微机械加工还是表面微机械加工，样机在抗高过载能力和测量精度以及噪声大小方面都存在较大缺陷，至今仍有较大的技术难点，未达到实用化图 1.12 为中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室微纳米研究中心研制的加速度计，量程为 0~100g，0~500g ，0~1000g 和 0~2000g，抗过载大于20000g，在经误差补偿后，更是达到了在 35000g 时测试结果仍保持良好的线性关系，并以成功的应用在我国航天事业上，为星箭分离时的动态数据完全存储与记录下来中国兵器工业集团第 204 研究所研制的压电加速计，量程为 105g，灵敏度为：0.4-0.7pc/g：幅值线性度小于 10%：频率响应为 25kHZ该传感器如图 1.13[2] .图 1.12 中北大学研制的加速计 图 1.13 204 所的压电加速计综上所述，虽然我国研制的加速计以满足使用要求，但是在性能和工程化水平上和国外都存在一定的差距如在设计理论研究上、工艺条件、微弱信号检测及专用集成电路水平、工程化水平等是影响加速计推向市场化的主要因数1.3 基于 MEMS 惯性测量单元的发展现状近年来以低成本 MEMS 惯性器件为组件的微惯性测量单元(MIMU) ，逐渐的应用到了常规实战武器系统。

以美国为例，已经成功将微惯性测量组合应用到联合攻击弹药(JDMA)、联合防区外攻击系统(JSOW)、风偏修正弹药(WCMD)如图 1.14 和图 1.15 分别为美国陆军用“神剑”和海军增程制导导弹(ERGM) “神剑”的编号为 XM982 是一个带有 GPS 接收机和 MIMU 制导封装件，以 GPS 为辅 MIMU 为主用自身控制系统多次对飞行轨迹进行调整,CEP 达到了 10 米 [15][16][17]图 1.14 美国陆军用“神剑”图 1.15 美国海军增程制导导弹(ERGM)由上所述，美国等西方国家已经将微惯性器件应用在了实战武器系统，在低.[1] .成本MEMS惯性组件研制方面，美国有Honeywell、Litton、Draper实验室、BEI、JPL 公司以及一些著名大学美国的Draper实验室在1994年研制的MIMU ，包括三陀螺、三加速计，并且体积小于1mm 3,功耗小于1W，开创了MIMU 的研制及生产先河美国的Honeywell 从事和生产的MIMU在近年来以每年10万套的数量装备于精确制导炸弹，并为埃格林空军基地研制了高级战术MIMU，如图1.16图1.16 Honeywell生产的IMU和GPS组件在微电子设计和工艺加工上我国与国外有着较大的差距，我国的MIMU产品在质量、体积尤其是精度和工作稳定性，相对国外的产品还相当落后，因此，还需提高产品的设计理论、电路集成技术和工艺加工水平。

但是，通过高效的误差补偿算法等手段也是一种弥补我国IMU使用精度的方法1.4 论文主要研究内容和章节安排本文以低成本 MEMS 惯性器件在微小型飞行器上实现高精度导航、定位、定姿为背景，深入研究了低成本 MEMS 加速计、陀螺仪的误差机理、建模、标定和随机漂移滤波补偿方法，完成了对实验室自制低成本微小型惯性器件的测试及误差标定和实时补偿滤波，提高了器件的使用精度论文共分为六章，内容主要包括：第一章为绪论首先介绍了课题研究的背景意义及研究目的，然后详细的阐述了低成本 MEMS 惯性器件即 IMU 组件在国内外的发展现状与最新研究进展及如何提高和实现我国低成本 MEMS 惯性组件的使精用度和降低使用成本最后介绍了本论文的主要工作内容和论文结构安排第二章为小波分析对低成本 MEMS 惯性器件的前置滤波处理首先分析了传统去噪方法对低成本 MEMS 惯性器件去噪的缺陷，然后，确定了小波对数据分解层数和阈值的选择，最后，用小波分析对阶梯曲线进行去噪，结果表明小波.[2] .分析对数据。