一种微机电系统陀螺信号基于小波域的Karhunen-Loeve变换去噪方法

为了减少梳状音叉微机电系统(MEMS)陀螺的随机漂移误差,提出了一种小波域上的Karhunen-Loeve变换(KLT)的MEMS陀螺漂移信号的去噪方法。其主要思想是:先对分段的MEMS陀螺漂移信号进行小波分解;然后对各个中高频子带进行6抽头滤波,插值成和最高频带相同长度的样本点后,利用小波各尺度间的相似性进行高频分量的KLT变换,在一定程度上去除不相干噪声;最后对KLT降噪后的信号再进行小波阈值处理完成进一步的降噪。实验结果表明,所提方法相对于基于小波变换的各种阈值方法,陀螺输出信号的方差、零偏稳定性和随机游走误差都有了明显的改善。

微机电系统陀螺仪随机漂移误差建模与滤波研究

随机漂移是微机电系统(MEMS)陀螺的主要误差,建立其数学模型并在输出中加以补偿是抑制该项误差、提高MEMS陀螺精度的有效方法。采用Allan方差对MEMS陀螺实测数据进行了分析,并采用时间序列分析法建立了随机漂移模型。根据建立的漂移模型,就如何利用Kalman滤波抑制随机漂移误差进行了分析和研究。

基于微机电系统陀螺传感器的FIR滤波器设计

针对微机电系统(MEMS)陀螺传感器噪声较大的特点,分析了MEMS陀螺数据功率谱,指出该型MEMS陀螺有较强高频噪声和干扰信号,提出了FIR滤波器的设计指标,利用Hamming窗函数法设计了FIR滤波器,最后利用所设计的滤波器对该MEMS陀螺数据进行预滤波处理,并有效应用于2个不同的MEMS陀螺。结果表明,滤波预处理后的数据按照期望对高频数据进行了衰减,设计的FIR滤波器可有效滤除MEMS陀螺的高频噪声,提高角速率测量精度,改善陀螺零偏稳定性,具有一定的工程应用价值。

煤矿井下微机电系统陀螺随机误差辨识

针对常用随机误差辨识方法不能揭示潜在的误差源、很难分离出具体随机误差、数据采集时间过长等问题,利用Allan方差分析法对煤矿井下微机电系统(MEMS)陀螺随机误差进行辨识。介绍了Allan方差分析法原理,利用Allan方差分析法对MEMS陀螺实测数据进行处理,给出了Allan标准差曲线,通过最小二乘拟合得到MEMS陀螺的主要随机误差系数。实验结果验证了Allan方差分析法用于MEMS陀螺随机误差辨识的有效性。

微机电系统陀螺仪单层隔热槽结构优化设计

微机电系统陀螺仪是现代制导武器的核心器件,随着武器装备的发展,国防领域对陀螺仪的综合性能提出了更高的要求,提升性能的重点是要提升陀螺仪谐振结构的品质因数和降低机械热噪声。环形微机电系统陀螺仪是当前最具发展潜力的微机电系统陀螺仪方案之一,为了进一步提升环形微机电系统陀螺仪的性能,基于热弹性耗散理论,在陀螺仪谐振结构的外环上添加隔热槽结构以减小热弹性阻尼和提升品质因数(Q值)。通过有限元仿真的方法研究了隔热槽的位置、数量和尺寸对陀螺仪谐振频率、品质因数、等效质量和机械热噪声的影响规律,进而对环形结构进行了隔热槽的优化设计。仿真结果表明,陀螺仪热弹性品质因数提升了139%,机械热噪声减小了26.9%,研究结果可以用来指导微机电系统陀螺仪的结构优化设计。

直接侧向力控制火箭弹的微机电系统速率陀螺滤波方法

火箭弹采用直接侧向力轨道控制时会使弹体姿态产生较高频率的振动,其对微机电系统(MEMS)速率陀螺测量会产生不利影响。目前的滤波算法通常假设弹体姿态在短时间内是缓变的,因此其对高频运动的弹体姿态滤波效果较差。根据气动力学分析可知,弹体在短暂冲击后的高频振荡属于自然频率下的阻尼振荡,而弹体的自然频率和阻尼是可预先估计的,因此可应用基于摆动Markov模型的交互多模型(IMM)来描述弹体姿态的不确定变化,并利用点火时间动态调整模型概率转移矩阵。仿真实验表明,基于摆动Markov的IMM滤波算法可对MEMS速率陀螺输出有较好的滤波效果。

面向蜂巢式微机电陀螺模态交换工作模式的卡尔曼滤波

该文对模态交换工作模式下的蜂巢式微机电陀螺进行了噪声成分分析,并建立了噪声模型。提出采用卡尔曼滤波降低陀螺输出白噪声的方法,从而提升陀螺的静态性能,该方法可用于惯性寻北。实验结果表明,经滤波后陀螺输出在采样时间1 s下与未滤波前的平滑时间100 s下的陀螺输出噪声水平相当。陀螺输出白噪声幅值降低,从而缩短寻北时间。实际应用中,最短寻北时间可由卡尔曼滤波初值收敛后的时间进行标定。

电容式MEMS陀螺电极间隙标定方法研究

该文以蝶翼式陀螺为研究对象,研究了电容式微机电系统(MEMS)陀螺电极间隙标定的方法。提出了一种基于谐振测量的电学标定方法,设计了基于调制解调技术的高精度微弱电容检测电路,并可以通过开关控制实现蝶翼式陀螺不同接口电容电极间隙的测量与标定。基于陀螺工作原理建立了电极间隙理论分析模型,推导了电容间隙与输出电压之间的关系,搭建了电极间隙测量与标定平台,测量了多个陀螺不同电极的间隙,并与采用电容-电压(CV)分析仪、台阶仪的测试结果进行了对比。与CV分析仪测试方法相比,该方法可有效地避免寄生电容的影响,在寄生电容未知的情况下可准确测量出有效电极间隙,同时具有更高的分辨率。与台阶仪测试方法相比,该方法可以准确反映实际电极位置的间隙大小。被测陀螺的电极间隙理论设计值为2μm,采用该文提出的方法测试值分布范围为1.92~2.2μm,采用CV分析仪测试结果为2.004μm(寄生电容已知),采用台阶仪平均测试值为2.11μm。

微纳卫星陀螺阵列系统信息融合

为了实现微纳卫星MEMS陀螺动态在线滤波,对MEMS陀螺阵列建模,设计可应用于动态过程的最优在线数据融合算法,建立陀螺阵列测试系统,并对融合滤波的陀螺系统的性能对比分析。首先,建立多个陀螺的量测模型。接着基于信息融合模型,使用Kalman滤波算法,对预测的协方差矩阵进无求逆运算迭代;然后,基于误差估计,对动态时变信号滤波模型建模,并给出了融合滤波方法;最后,搭建6个MEMS陀螺在线滤波系统,验证该算法的有效性。实验结果表明:滤波误差可降低为单陀螺采样误差的1/15,精度提高一个数量级;运算量相比层序式滤波减少为1/4,计算时间减少为1/3。本文所提算法在提高精度的基础上,显著提高了MEMS陀螺系统的性能指标,拓展了MEMS陀螺在微纳卫星的应用范围。

力平衡模式下MEMS陀螺正交误差实时校正系统设计

针对微机电系统(MEMS)陀螺受加工误差影响,驱动与检测模态之间存在与科氏力相位差为90°的正交耦合力,限制了陀螺零偏的稳定性的问题,设计了力平衡模式下的正交误差实时校正系统。系统科氏环路采用力平衡法实现闭环检测;正交环路通过调整校正电压,消除结构刚度耦合,实现实时校正。实验结果表明:实时校正系统有效抑制了正交误差,改善了陀螺零偏性能。在5~65℃温度范围内,零偏温漂由手动一次性校正的0.75°/s变为实时校正的0.1°/s,减小了7.5倍;室温下,零偏不稳定性由4.05°/h降低为0.96°/h。

火箭弹MEMS陀螺捷联惯导系统

火箭弹正朝着远程化、精确制导化方向发展,制导装置是其中的核心。该文采用微机电系统(MEMS)陀螺、石英挠性加速度计、高动态GPS接收机、高速导航计算机等硬件及捷联惯性导航和卡尔曼滤波算法,研制了小型捷联惯性/GPS组合导航系统。该组合导航系统具有体积小,精度高,成本低等特点,试验表明该惯导系统可以满足增程火箭弹制导要求。

基于参数激励法的MEMS陀螺电馈通抑制方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺驱动电极和感应电极之间存在寄生电容,导致驱动信号的电馈通,限制了陀螺仪的灵敏度的问题,采用一种新型驱动方式—参数激励法,可以有效改变陀螺的刚度。仿真测试表明,通过调节激励信号的参数(频率、幅度和相位),可以以可控的方式显著地减少电馈通。

MEMS陀螺仪CRM100的信号调理电路设计

MEMS陀螺仪是低成本惯性测量单元的重要组成部分,在载体姿态监测与导航控制中有着广泛应用。该文针对MEMS陀螺仪CRM100的信号,在分析该陀螺仪模拟量输出与数字量输出方式特点的基础上,详细介绍了CRM100陀螺仪信号调理电路的设计与实现方法,并对设计电路利用三轴位置速率摇摆温控转台进行了试验论证,试验结果表明,所设计的信号调理电路正确有效,为该陀螺仪后续的工程应用奠定了基础,具有一定的工程应用价值。

基于静电调修的圆盘结构MEMS陀螺仪

设计了一种采用微机电系统(MEMS)技术的绝缘体上硅(SOI)与玻璃阳极键合工艺的陀螺仪。分析了提高陀螺仪性能的主要手段,结合实际工艺能力,设计了较大电容极板正对面积的器件。利用真空腔、网络分析仪、跨阻放大器、直流电源,进行扫频实验,得到了器件的幅频响应特性。基于MEMS陀螺仪的工作原理,设计静电调修的方法,实现了器件驱动轴和敏感轴的谐振频率裂解从293.75 Hz缩小到6.25 Hz。

基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统

研究并实现基于微机电系统(MEMS)陀螺仪的高速数据的采集、多传感器数据融合、高实时数据的存储以及数据读取等功能的地下管线测绘系统;并运用管道测绘算法对读取的数据进行解算,最终得到测量管道的三维轨迹。所设计的系统以STM32芯片为核心主控,实现对MEMS陀螺仪高速数据的完整接收以及里程信息的同步测量,运用MEMS-惯性测量单元(IMU)/里程计/不完全约束的组合定位算法对读取的数据进行导航解算,最终实现310 m长度管道的定位误差在0.15%以内。

MEMS陀螺系统自适应滑模控制研究

为了避免微机电系统(MEMS)陀螺在高精度姿态控制中受外部干扰导致随机误差,提高MEMS陀螺的鲁棒性和测量精度,提出一种自适应比例-积分(PI)分数阶积分滑模控制策略。分析了MEMS陀螺系统原理,建立了动力学模型;在快速分数阶积分滑模函数的基础上,构造了包含自适应PI控制和趋近控制的快速自适应滑模控制(FAPISMC)模型;运用Lyapunov函数验证了FAPISMC策略的收敛性和稳定性。借助SIMULINK对FAPISMC跟随系统进行分析。仿真结果表明:FAPISMC控制MEMS陀螺仪时,响应快,启动效果好,未发现抖振现象,实现了快速稳定的跟随输入信号的目的,提高了MEMS陀螺的鲁棒性。

基于刚度轴偏角预估机制的MEMS多环谐振陀螺全闭环控制方法

针对微机电系统多环谐振陀螺正交闭环回路存在控制误差问题,提出一种基于刚度轴偏角预估机制的多环陀螺全闭环控制方法。该方法通过对微机电系统多环谐振陀螺刚度轴偏角预估,实现正交闭环回路参数自动优化调整。同时,提出了基于刚度轴偏角预估机制的全数字化闭环控制方法,实现微机电系统多环谐振陀螺的驱动、检测、正交、模态匹配环路的全闭环控制。该方法可提升正交闭环回路信噪比,增强陀螺正交漂移的抑制能力,降低陀螺零偏输出,改善陀螺的零偏不稳定性。实验结果表明,采用本文提出的基于刚度轴偏角预估机制的全闭环控制方法后,微机电系统多环谐振陀螺的零偏输出由0.201°/s降低为0.0213°/s,零偏不稳定性由39.42°/h降低为1.237°/h,分别降低了9.44倍和31.86倍,验证了该方法对提升微机电系统多环谐振陀螺仪性能的有效性。

MEMS陀螺误差建模与滤波方法

从实际工程应用角度出发,探讨了微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)陀螺误差的有效滤波降噪方法。基于随机序列时序分析法的基本原理,采用实时平均算法对陀螺原始量测数据进行常值补偿预处理,得到随机漂移信号。对去除渐进项后的差分漂移信号进行AR模型建模,并依据该模型进行改进卡尔曼滤波,在输出差分信号滤波值的同时解算当前陀螺输出滤波值。通过对某MEMS陀螺实测数据的误差补偿结果表明,提出的滤波方法能够有效地抑制其漂移误差,提高实际应用中的测量精度。

改进的MEMS陀螺随机噪声自适应滤波算法

针对微机电系统(MEMS)陀螺仪随机噪声建模时,自回归滑动平均(ARMA)模型中有色噪声白化问题,提出了将有色噪声作为系统状态方程控制项,以改进解耦自适应Kalman滤波算法,从而提高MEMS陀螺仪的噪声补偿效果。实验结果表明:经改进算法滤波后,MEMS陀螺仪噪声均方差减小85.1%,随机误差项减小41.9%;与标准Kalman滤波算法、解耦自适应Kalman滤波算法相比,改进算法的随机误差项分别减小30.5%,10.1%,能更好地降低MEMS陀螺仪随机噪声。

具有扇区输入非线性的三轴MEMS陀螺仪鲁棒自适应控制

微机电系统(micro-electro-mechanic system,MEMS)陀螺仪在制造和应用过程中会受到系统参数不确定、外界干扰和力电换能器非线性效应的影响,降低MEMS陀螺仪的检测精度。提出一种基于增益自适应的滑模控制策略对MEMS陀螺仪3个轴向轨迹进行控制,采用一种基于时变死区技术的积分自适应律估计参数不确定和干扰的上界以避免估计发散,选择合适的控制律消除非线性扇区输入的影响,实现陀螺3个轴向的轨迹跟踪指定的参考运动,从而提高检测精度。最后利用Lyapunov直接法证明了闭环误差系统的渐近稳定性和所有信号的有界性。仿真结果表明了该策略的有效性。