硅微陀螺陣列的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著微機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，以硅微機(jī)械陀螺儀為代表的微慣性儀表成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的陀螺儀相比，微機(jī)械陀螺儀具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。基于目前的設(shè)計(jì)和加工水平，微機(jī)械陀螺儀的精度和集成度還比較低，利用集成化制造技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行集成硅微陀螺陣列的研究成為提高硅微機(jī)械陀螺儀性能的有效途徑之一。
　　論文以提高硅微機(jī)械陀螺儀的性能為目的，開展了單芯片集成硅微陀螺陣列若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，

2、重點(diǎn)對硅微陀螺陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測控電路和信號處理方法進(jìn)行了深入的分析和研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)對目前國內(nèi)外硅微機(jī)械陀螺儀的信號處理方法和硅微陀螺陣列相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(2)從陀螺儀的工作原理出發(fā)，分析了硅微機(jī)械陀螺儀的運(yùn)動(dòng)特性，探討了品質(zhì)因數(shù)及固有頻率等參數(shù)與靈敏度、帶寬等性能指標(biāo)的關(guān)系，系統(tǒng)研究了靜電力驅(qū)動(dòng)和電容檢測技術(shù)。
　　(3)設(shè)計(jì)出了一種全新的具有結(jié)

3、構(gòu)解耦、差分檢測的單芯片集成硅微陀螺陣列的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不同于一般的硅微陀螺陣列的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)輸出多路敏感檢測信號，滿足了虛擬陀螺的測量要求。對硅微陀螺陣列的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了探討，提出利用拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行模態(tài)分析，得到了系統(tǒng)的諧振頻率和振型。建立了硅微陀螺陣列的模態(tài)仿真模型，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了模態(tài)仿真，模態(tài)仿真結(jié)果與模態(tài)分析一致，該硅微陀螺陣列能滿足模態(tài)頻率匹配的要求。利用體硅微機(jī)械加工技術(shù)對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加工和真空封裝

4、，研制出了樣機(jī)。
　　(4)對硅微陀螺陣列的測控電路進(jìn)行了研究，采用了基于自動(dòng)增益控制的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。研究了數(shù)字鎖相環(huán)和數(shù)字自激振蕩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)相位控制的方法并對其進(jìn)行了仿真、分析和對比。為了提高測控電路的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)了基于FPGA的硅微陀螺陣列的數(shù)字測控電路，實(shí)現(xiàn)了測控電路的控制算法，包括直接數(shù)字式頻率合成器、數(shù)字移相算法、A/D及D/A控制算法等。
　　(5)硅微機(jī)械陀螺儀的漂移一般存在非平穩(wěn)的趨勢項(xiàng)。采

5、用一種新的改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對樣機(jī)的靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行了多尺度分解和去趨勢項(xiàng)處理，得到了正態(tài)、平穩(wěn)的時(shí)間序列。提出利用時(shí)間序列分析方法對硅微陀螺陣列的靜態(tài)漂移信號進(jìn)行分析，建立了自回歸滑動(dòng)平均模型。同時(shí)，為了提高處理的實(shí)時(shí)性，提出一種新的基于最優(yōu)加權(quán)平均和平方根自適應(yīng)卡爾曼濾波的算法對建模后的陀螺漂移進(jìn)行融合處理，與標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波相比，提高了硅微陀螺陣列的測量精度。
　　對硅微陀螺陣列的隨機(jī)漂移信號進(jìn)行了Allan方差分析，根據(jù)

6、數(shù)據(jù)融合理論和隨機(jī)漂移的誤差模型，利用最優(yōu)Kalman濾波方法對硅微陀螺陣列的靜態(tài)漂移信號進(jìn)行了信息融合，對融合后的漂移信號進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明，融合后硅微陀螺陣列的漂移可以降低一個(gè)數(shù)量級以上。對角速度動(dòng)態(tài)測量中的動(dòng)態(tài)去噪問題進(jìn)行了研究，嘗試?yán)肁llan方差、冗余檢測、信號差分技術(shù)間接得到動(dòng)態(tài)信號的實(shí)時(shí)漂移，結(jié)合機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和粒子濾波技術(shù)建立動(dòng)態(tài)信號濾波器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)濾波器能夠使測量噪聲得到了有效降低。