微小型MEMS陀螺的误差特性研究

论文摘要

MEMS（Micro Electro Mechanical System）陀螺尺寸小、重量轻、可靠性高,在军事和民用等领域展现出广阔的应用前景。但是限于性能,MEMS陀螺主要用于中低精度导航。对MEMS陀螺进行误差特性分析、建模和补偿是提高精度的有效手段,是当前MEMS陀螺研究的热点之一。论文针对MEMS陀螺误差特性开展研究。建立MEMS陀螺仿真模型是分析其误差特性的基础。论文讨论了MEMS陀螺建模的级别,对比分析了ANSYS有限元分析软件模型、等效电路模型、VHDL-AMS模型、SIMULINK模型各自的优缺点,建立了MEMS陀螺四种仿真模型,通过仿真验证了所建模型的正确性。基于所建立的仿真模型,论文研究了机械热噪声特性、温度特性和正交误差特性。针对带限滤波器不能有效减小机械热噪声的问题,利用相关滤波理论对机械热噪声进行研究,有效减小了机械热噪声。为了分析环境温度对MEMS陀螺的影响,提出了ANSYS与SIMULINK相结合的分析方法,对一类微石英音叉陀螺进行仿真研究,验证了分析方法的有效性,应用最小二乘法和BP神经网络对陀螺温度误差进行补偿,较好地改善了MEMS陀螺零位漂移。运用平均化分析方法分析了机械弹性耦合引起的正交误差特性,推导出正交误差与陀螺结构参数的定量关系式,为研究正交误差提供了一种新的途径。为了进一步提高MEMS陀螺抑制噪声和环境干扰的能力,建立了闭环检测系统模型并与开环检测系统进行对比,结果表明闭环检测系统具有更强抑制噪声的能力,受环境温度影响较小,其整体性能要优于开环检测系统。论文通过对MEMS陀螺建模、机械热噪声特性、温度特性、正交误差特性等内容的研究,明确了MEMS陀螺误差特性的机理,为更加合理的建模和补偿奠定了基础,对于实际应用中提高MEMS陀螺的性能具有重要的指导意义。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 MEMS 陀螺概述

1.2 MEMS 陀螺的基本理论

1.2.1 MEMS 陀螺的工作原理

1.2.2 MEMS 陀螺的分类

1.2.3 MEMS 陀螺主要性能指标

1.3 MEMS 陀螺误差特性的国内外研究现状

1.4 论文的研究背景及意义

1.5 论文主要研究内容

第二章 MEMS 陀螺仿真建模研究

2.1 引言

2.2 MEMS 陀螺动力学模型

2.3 MEMS 陀螺建模方法

2.3.1 建模级别分类

2.3.2 建模方法比较分析

2.4 MEMS 陀螺仿真建模

2.4.1 MEMS 陀螺有限元法建模

2.4.2 MEMS 陀螺等效电路模型

2.4.3 基于VHDL-AMS 的MEMS 陀螺建模

2.4.4 基于SIMULINK 的MEMS 陀螺建模

2.5 本章小结

第三章 MEMS 陀螺机械热噪声特性研究

3.1 引言

3.2 机械热噪声

3.2.1 机械热噪声建模

3.2.2 影响机械热噪声的因素分析

3.3 相关滤波分析

3.3.1 相关滤波基本理论

3.3.2 机械热噪声相关滤波研究

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第四章 MEMS 陀螺温度特性研究

4.1 引言

4.2 硅微机械陀螺温度特性研究

4.3 石英音叉陀螺温度特性研究

4.3.1 温度对弹性刚度常数的影响

4.3.2 温度对音叉尺寸的影响

4.3.3 温度对晶体密度的影响

4.3.4 石英音叉陀螺热分析

4.3.5 温度对陀螺零偏影响研究

4.4 MEMS 陀螺温度补偿

4.4.1 最小二乘法温度补偿

4.4.2 BP 神经网络温度补偿

4.5 本章小结

第五章 MEMS 陀螺正交误差特性研究

5.1 引言

5.2 MEMS 陀螺结构误差分析

5.2.1 不等弹性

5.2.2 阻尼不对称

5.2.3 考虑结构误差的动力学方程

5.3 正交误差特性研究

5.3.1 基于平均化方法的正交误差特性分析

5.3.2 输入角速度信号的提取

5.3.3 仿真分析

5.4 本章小结

第六章 MEMS 陀螺闭环检测技术研究

6.1 引言

6.2 MEMS 陀螺检测模型建立与仿真研究

6.2.1 开环检测建模与仿真研究

6.2.2 闭环检测建模与仿真研究

6.3 闭环检测模式下正交误差研究

6.3.1 闭环检测模式下正交误差分析

6.3.2 仿真分析

6.4 开环检测与闭环检测性能比较分析

6.4.1 零偏稳定性测试

6.4.2 标度因数测试

6.4.3 标度因数温度灵敏度测试

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 全文主要工作总结

7.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

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