申请/专利权人：东南大学

申请日：2019-01-11

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN109813927B

主分类号：G01P3/44(20060101)

分类号：G01P3/44(20060101);G01P21/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.06.21#实质审查的生效;2019.05.28#公开

摘要：本发明公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，包括陀螺模块和陀螺控制系统；陀螺模块包括多个陀螺，陀螺控制系统按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。本发明采用在线实时校准零偏的方法尽可能地降低了陀螺仪零偏的漂移，提高陀螺系统的性能。与传统标定补偿的方法相比，不受陀螺零偏重复性的限制。本发明采用各个陀螺轮流进行模态反转的方式实现了三轴角速度的测量，相比于双陀螺采用模态反转实现单轴角速度测量的技术，更为高效、经济。

主权项：1.一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：包括陀螺模块1和陀螺控制系统2；陀螺模块1包括多个陀螺，陀螺控制系统2按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值，所述陀螺有四个；其中，在控制时序的M1—M4的时间段内： 公式3中，分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺在第i时间段内的角速度测量值；Ωi＝[ΩXiΩYiΩZi]，ΩXi、ΩYi、ΩZi分别为沿X轴、Y轴、Z轴向的输入角速度；B＝[BABBBCBD]，BA、BB、BC、BD分别是第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺的零偏，其中，i＝1,2,3,4；I是四阶单位矩阵；另有： 由于陀螺的零偏为缓变量，设定M1—M4内恒定不变，零偏解算模块首先依据模态反转时序控制器给出的控制信号Na、Nb、Nc、Nd，将四个驱动检测闭环控制模块在各时间段内输出的信号vfa、vfb、vfc和vfd转换为各陀螺的角速度测量值然后利用式3即可解算出各陀螺在M1—M4时间段内的零偏： 在M4时间段结束时，零偏解算模块将由公式4计算得到的零偏BA、BB、BC、BD传递给零偏校准模块；而在下半周期M5—M8内，零偏校准模块则依据当前实时的vfa、vfb、vfc和vfd信号计算出实时的角速度测量值再利用上半周期的零偏BA、BB、BC、BD校准X轴、Y轴、Z轴三轴的角速度值，给出系统的输出： 公式5中，各零偏值前的正负号由该陀螺的反转状态决定：当其模态反转控制信号Na、Nb、Nc或Nd为高电平时，取负号，反之取正号；与此同时，零偏计算模块在M5—M8时间段内继续解算各陀螺的零偏，用于零偏校准模块在下一周期内M1—M4时间段的零偏校准。

全文数据：一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统技术领域本发明涉及微机电陀螺仪领域，特别是涉及微机电陀螺仪三轴角速度测量系统。背景技术微机电陀螺仪是利用MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统技术加工而成的角速度传测量传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低等一系列优点。目前广泛应用于很多领域，如汽车安全、工业控制、消费电子等。其最初诞生于上世纪80年代末，近年来随着制造工艺的发展和相关控制技术研究的深入，微机电陀螺仪的精度得到了快速提升。微机电陀螺仪零偏的漂移是其性能的主要限制因素之一。三轴角速度的测量则面临与单轴测量的相同的零偏漂移问题。而为了改善微机电陀螺仪的零偏漂移，常用的方法是对零偏进行标定补偿。但该方法的缺点是依赖于陀螺仪零偏漂移的重复性。如果陀螺仪每次上电后的零偏漂移不完全重复，则无法利用标定的方法从根本上消除漂移。发明内容发明目的：本发明的目的是提供一种不受陀螺仪零偏漂移重复性的限制、能够有效降低零偏漂移的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统。技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：本发明所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，包括陀螺模块和陀螺控制系统；陀螺模块包括多个陀螺，陀螺控制系统按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。进一步，所述陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压转换为沿X轴向的静电力，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移，X轴位移通过X运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压转换为Y轴向的静电力，使全对称谐振子沿Y轴产生位移，Y轴位移通过Y运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统的输入信号。进一步，陀螺控制系统包括模态反转时序控制器和多个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器；驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路；模态反转时序控制器以一定的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号，使得各个陀螺轮流进行模态反转：当模态反转控制信号为高电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路；当模态反转控制信号为低电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，X轴向接入力反馈闭环回路。进一步，所述陀螺控制系统包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。进一步，所述陀螺有四个。进一步，所有四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。有益效果：本发明公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：1本发明采用在线实时校准零偏的方法尽可能地降低了陀螺仪零偏的漂移，提高陀螺系统的性能。与传统标定补偿的方法相比，不受陀螺零偏重复性的限制。2本发明采用各个陀螺轮流进行模态反转的方式实现了三轴角速度的测量，相比于双陀螺采用模态反转实现单轴角速度测量的技术，更为高效、经济。附图说明图1为本发明具体实施方式中测量系统的整体示意图；图2为本发明具体实施方式中第一陀螺内部的示意图；图3为本发明具体实施方式中陀螺模块与陀螺控制系统的示意图；图4为本发明具体实施方式中模态反转控制时序图；图5为本发明具体实施方式中第一陀螺的驱动与检测闭环控制框图；图6为本发明具体实施方式中四个陀螺敏感轴的装配示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，如图1所示，包括陀螺模块1、陀螺控制系统2和装配结构3。陀螺模块1包括四个陀螺，分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺和第四陀螺。四个陀螺的内部结构相同，下面以第一陀螺的内部结构进行介绍。如图2所示，第一陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压Vxa转换为沿X轴向的静电力fxa，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移xa，X轴位移xa通过X运动检测机构转换为电压信号vxa，电压信号vxa作为陀螺控制系统2的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压Vya转换为Y轴向的静电力fya，使全对称谐振子沿Y轴产生位移ya，Y轴位移ya通过Y运动检测机构转换为电压信号vya，电压信号vya作为陀螺控制系统2的输入信号。可见，陀螺控制系统2共有8个输入电压信号，分别是陀螺模块1的8个输出电压信号，即vxa、vya、vxb、vyb、vxc、vyc、vxd和vyd。陀螺控制系统2的输出信号包括8个控制电压信号和包含三轴角速度测量信号的系统输出，其中，8个控制电压信号分别为Vxa、Vya、Vxb、Vyb、Vxc、Vyc、Vxd和Vyd，8个控制电压信号作为陀螺模块1的输入电压信号，形成闭环控制。如图3所示，陀螺控制系统2按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。具体的，陀螺控制系统2包括模态反转时序控制器和四个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器。模态反转时序控制器以图4所示的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号Na、Nb、Nc和Nd，使得各个陀螺轮流进行模态反转。图4中M1—M8分别为8个测量时间段，控制信号Na、Nb、Nc和Nd在对应时间段内交替变换高、低电平，实现对各路选通器的控制。下面以第一输入选通器、第一驱动检测闭环控制模块和第一输出选通器为例进行介绍。当模态反转控制信号Na为高电平时，第一输入选通器选择电压信号vxa作为vdpa、电压信号vya作为vfpa，第一输出选通器选择电压信号vda作为Vxa、电压信号vfa作为Vya；其中vdpa和vfpa是第一驱动检测闭环控制模块的输入信号，vda和vfa是第一驱动检测闭环控制模块的输出信号。具体地，如图5所示，第一驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路。模态反转时序控制器控制第一输入选通器和第一输出选通器将第一陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路。驱动闭环回路利用输入信号vdpa判断第一陀螺驱动模态运动的幅度和相位，并输出信号vda；力反馈闭环回路利用输入信号vfpa判断第一陀螺检测模态运动的幅度，并输出信号vfa；由于信号Vya选通为信号vfa，因此第一陀螺的角速度测量值可表示为：式1中ΩA为沿第一陀螺敏感轴的输入角速度大小，BA为第一陀螺的零偏。当模态反转控制信号Na为低电平时，第一选通器选择电压信号vya作为vdpa、电压信号vxa作为vfpa，第二选通器选择电压信号vfa作为Vxa、电压信号vda作为Vya。此时，在第一选通器和第二选通器的作用下，第一陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，第一陀螺的X轴向接入力反馈闭环回路；此时根据式2可计算得第一陀螺的角速度测量值为：对比式1和式2可得，在模态反转前后，即控制信号Na分别为高、低电平时，第一陀螺零偏的幅值不变，符号相反。陀螺控制系统2还包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。四个陀螺依据装配结构3进行组装，如图6所示，四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。图6中，OA表示第一陀螺敏感轴的指向，OA在XY平面内的投影OA’落在X轴上；OB表示第二陀螺敏感轴的指向，OB在XY平面内的投影OB’落在Y轴上；OC表示第三陀螺敏感轴的指向，OC在XY平面内的投影OC’落在X轴上；OD表示第四陀螺敏感轴的指向，OD在XY平面内的投影OD’落在Y轴上。结合图4的控制时序以及图6的陀螺敏感轴装配示意图可以得到在M1—M4的时间段内：式3中，分别为第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺在第i时间段内的角速度测量值；Ωi＝[ΩXiΩYiΩZi]i＝1，2，3，4，ΩXi、ΩYi、ΩZi分别为沿X、Y、Z轴向的输入角速度；B＝[BABBBCBD]，BA、BB、BC、BD分别是第一陀螺、第二陀螺、第三陀螺、第四陀螺的零偏；其中，I是四阶单位矩阵；另有：由于陀螺的零偏为缓变量，因此可认为其M1—M4内恒定不变。零偏解算模块首先依据模态反转时序控制器给出的控制信号Na、Nb、Nc、Nd，将四个驱动检测闭环控制模块在各时间段内输出的信号vfa、vfb、vfc和vfd转换为各陀螺的角速度测量值然后利用式3即可解算出各陀螺在M1—M4时间段内的零偏：在M4时间段结束时，零偏解算模块5将由式4计算得到的零偏BA、BB、BC、BD传递给零偏校准模块；而在下半周期M5—M8内，零偏校准模块则依据当前实时的vfa、vfb、vfc和vfd信号计算出实时的角速度测量值再利用上半周期的零偏BA、BB、BC、BD校准X、Y、Z三轴的角速度值，给出系统的输出：式5中，各零偏值前的正负号由该陀螺的反转状态决定：当其模态反转控制信号Na、Nb、Nc或Nd为高电平时，取负号；反之取正号。与此同时，零偏计算模块在M5—M8时间段内继续解算各陀螺的零偏，用于零偏校准模块在下一周期内M1—M4时间段的零偏校准。

权利要求：1.一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：包括陀螺模块1和陀螺控制系统2；陀螺模块1包括多个陀螺，陀螺控制系统2按一定时序控制各个陀螺轮流反转工作模态，解算出陀螺的零偏值，并结合时序和零偏值实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。2.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺具有X轴向激励机构、Y轴向激励机构、全对称谐振子、X运动检测机构和Y运动检测机构；X轴向激励机构将施加于其的电压转换为沿X轴向的静电力，使得全对称谐振子沿X轴向产生位移，X轴位移通过X运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统2的输入信号；Y轴向激励机构将施加于其的电压转换为Y轴向的静电力，使全对称谐振子沿Y轴产生位移，Y轴位移通过Y运动检测机构转换为电压信号，电压信号作为陀螺控制系统2的输入信号。3.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺控制系统2包括模态反转时序控制器和多个输入选通器，输入选通器与陀螺一一对应，每个输入选通器均连接一个驱动检测闭环控制模块，每个驱动检测闭环控制模块均连接一个输出选通器；驱动检测闭环控制模块包含驱动闭环回路和力反馈闭环回路；模态反转时序控制器以一定的时序给出各个陀螺的模态反转控制信号，使得各个陀螺轮流进行模态反转：当模态反转控制信号为高电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的X轴向接入驱动闭环回路，Y轴向接入力反馈闭环回路；当模态反转控制信号为低电平时，模态反转时序控制器控制输入选通器和输出选通器将对应陀螺的Y轴向接入驱动闭环回路，X轴向接入力反馈闭环回路。4.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺控制系统2包括模态反转时序控制器、零偏解算模块和零偏校准模块，零偏解算模块根据模态反转时序控制器确定的时序以及陀螺的输出信号解算出陀螺的零偏值，零偏校准模块根据零偏解算模块在模态反转时序控制器确定时序的上一个半周期内所解算得到的各个陀螺的零偏值，结合时序，实时校准各个陀螺的输出，给出系统的三轴角速度测量值。5.根据权利要求1所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所述陀螺有四个。6.根据权利要求5所述的全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统，其特征在于：所有四个陀螺的敏感轴与Z轴的夹角均相同，第一个陀螺和第三个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在X轴上且方向相反，第二个陀螺和第四个陀螺的敏感轴在XY平面内的投影均在Y轴上且方向相反。

百度查询： 东南大学 一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD