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MEMS慣性傳感器的誤差分析與補償

  慣性傳感器是慣性導航系統的核心組成,其精度決定了慣性導航系統的精度,所以慣性導航系統的一項主要工作就是將慣性傳感器誤差進行補償。提高慣性導航系統精度的手段大致有以下兩種,第一種是從工藝上提高慣性傳感器的精度,但是此方法技術難度大,且對于加工條件、材料等要求高;第二種就是采用誤差補償方式來對于系統的誤差進行補償。

  MEMS慣性傳感器的誤差分析與補償方法大致分為3種:第一種是采用誤差補償算法的方式進行補償,即將誤差通過算法擬合方式進行補償;第二種是采用旋轉調制技術,將IMU(慣性測量單元)加上轉動機構進行旋轉,通過旋轉來消除常值誤差(稱為旋轉調制);第三種是采用Allan方差分析法,以補償系統的隨機誤差。

  1 慣性傳感器的溫度誤差補償技術

  溫度所帶來的慣性器件精度誤差主要來自慣性器件本身對于溫度的敏感程度以及溫度梯度或者溫度與溫度梯度的交叉乘積項的影響。隨著溫度的變化,慣性器件的結構材料由于熱脹冷縮會形成干擾力矩,因此需要對于慣性器件的溫度特性進行研究,以獲取溫度對于慣性器件輸出性能影響的規律,建立加速度計靜態溫度模型并且對因溫度變化引起的誤差進行補償,是提高其精度的一種有效手段。

  對陀螺儀及加速度計的靜態溫度模型進行擬合的方法一般采取最小二乘法,以此得到陀螺儀和加速度計的數學模型系數與溫度的關系并建立靜態溫度誤差補償模型,從而提高器件精度。國內多家陀螺儀及加速度計生產單位均對溫度誤差補償進行研究,使之較補償前的產品靜態誤差減小了一個數量級。

  2 慣性傳感器常值漂移誤差的旋轉調制技術

  旋轉調制技術起初應用于靜電陀螺系統,通過殼體旋轉來自動補償漂移誤差力矩。自激光陀螺面世以來,美國迅速開展了旋轉式慣性導航系統的研究,1968年,有學者首次提出通過旋轉IMU的方式來對慣性傳感器的漂移誤差進行補償。20世紀70年代,羅克韋爾公司研制了靜電陀螺檢測器,殼體采用了旋轉技術,使得與其配套的艦船系統具備長時間的精度性能。20世紀80年代,Sperry公司研制了單軸旋轉慣性導航系統,采用了經典的單軸四位置正反轉停方案,直到現在該方案仍被廣泛應用。1989年,北約船用標準慣性導航系統即MK49型雙軸旋轉式激光陀螺慣性導航系統,在潛艇以及水面艦艇上進行裝備。在國內國防科技大學首先開始旋轉調制技術在光學陀螺上的應用。如今旋轉調制技術在MEMS上主要采用單軸旋轉方案,雙軸旋轉方案由于旋轉機構復雜等原因相對應用較少。

  由于旋轉的需要,導航系統采取捷聯算法,從原理上來講,MEMS慣性導航系統旋轉調制可以有效抵消系統常值誤差,系統的誤差傳播方程如下:

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  在式(1)中,由于陀螺儀以及加速度計自身測量誤差所帶來的系統誤差為σωbib和σfb,因此式中的Cnbσωbib以及Cnbσfb兩項誤差是由于測量誤差引入的,故誤差補償主要補償這兩項誤差。由于以上兩項均包含Cnb,周期性地改變Cnb值即可消除這兩項誤差,故在慣性導航系統上施加旋轉裝置,將周期性誤差通過旋轉抵消,這就是旋轉調制技術提高慣性導航系統精度的原理。

  旋轉調制方案需要確定旋轉軸個數(單軸、雙軸或多軸)、旋轉速率、旋轉角加速度、轉停時間及停止位置數等參數。靜基座及動基座下轉停方案的不同會對旋轉調制效果產生影響。

  3 慣性傳感器隨機誤差的Allan方差分析

  目前常用的隨機誤差建模方法有時間序列分析法、Allan方差法及功率譜密度分析法。

  由于慣性導航的誤差方程推導都是建立在誤差為白噪聲的基礎上,而在現實中,MEMS慣性器件的輸出數據包含的各種噪聲都會對系統產生干擾,導致計算結果中出現隨機誤差。陀螺輸出值的誤差中的隨機噪聲需要建模來補償,而Allan方差分析法則是目前隨機噪聲分析中應用最普遍、最廣泛的方法之一。MEMS器件中隨機誤差主要分為角度隨機游走、加速度隨機游走、量化噪聲及零偏穩定性等。


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