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MEMS陀螺随机误差特性研究及补偿

张玉莲 储海荣 张宏巍 张明月 陈阳 李银海

张玉莲, 储海荣, 张宏巍, 张明月, 陈阳, 李银海. MEMS陀螺随机误差特性研究及补偿[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(4): 501-510. doi: 10.3788/CO.20160904.0501
引用本文: 张玉莲, 储海荣, 张宏巍, 张明月, 陈阳, 李银海. MEMS陀螺随机误差特性研究及补偿[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(4): 501-510. doi: 10.3788/CO.20160904.0501
ZHANG Yu-lian, CHU Hai-Rong, ZHANG Hong-wei, ZHANG Ming-yue, CHEN Yang, LI Yin-hai. Characterists and compensation method of MEMS gyroscope random error[J]. Chinese Optics, 2016, 9(4): 501-510. doi: 10.3788/CO.20160904.0501
Citation: ZHANG Yu-lian, CHU Hai-Rong, ZHANG Hong-wei, ZHANG Ming-yue, CHEN Yang, LI Yin-hai. Characterists and compensation method of MEMS gyroscope random error[J]. Chinese Optics, 2016, 9(4): 501-510. doi: 10.3788/CO.20160904.0501

MEMS陀螺随机误差特性研究及补偿

doi: 10.3788/CO.20160904.0501
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 No.51305421

详细信息
    通讯作者:

    张玉莲(1991-),女,山东济宁人,硕士,研究实习员,主要从事惯性导航系统方面的研究。E-mail:yulian-2009@163.com

  • 中图分类号: V249.322

Characterists and compensation method of MEMS gyroscope random error

Funds: 

National Natural Science Foundation of China No.51305421

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  • 摘要: 为了提高MEMS陀螺输出角速度的精度,采用Allan分析法以及Kalman滤波算法对MEMS陀螺仪进行随机误差分析和补偿。由Allan方差分析陀螺的输出数据,对Allan方差进行最小二乘法拟合,得到各项随机噪声的定量评价指标;对陀螺的输出数据使用AR模型进行数学建模,采用AIC准则确定了AR模型的阶次,建立了陀螺零漂数据的离散时间表达式;在AR模型所建立的陀螺随机误差模型的基础上,设计了Kalman滤波器,对陀螺输出数据使用Kalman算法进行了滤波处理,对陀螺的随机误差进行了补偿;通过Allan方差对Kalman算法对陀螺随机误差的补偿效果进行分析。实验结果表明:角速率随机游走Kalman滤波前为0.1487°/$\sqrt{h}$,Kalman滤波补偿后为0.0041°/$\sqrt{h}$,通过补偿可减小97.24%的角速率随机游走误差;零偏不稳定性Kalman滤波前为1.9408°/h,Kalman滤波补偿后为0.0542°/h,通过补偿可减小97.21%的零偏不稳定性误差;速率随机游走Kalman滤波前为2.6985°/h$\frac{3}{2}$,Kalman滤波补偿后为0.3343°/h$\frac{3}{2}$,通过补偿可减小87.61%的速率随机游走误差。Kalman滤波适用于MEMS陀螺的滤波处理,可有效降低陀螺的随机误差。

     

  • 图 1  陀螺随机误差辨识典型Allan方差曲线

    Figure 1.  Typical Allan variance curve of Gyro random error identification

    图 2  陀螺仪测试原理框图

    Figure 2.  Principle frame chart of gyro test

    图 3  MEMS陀螺仪测试平台

    Figure 3.  Test platform of MEMS gyro

    图 4  MSG1100D陀螺输出原始数据

    Figure 4.  Output raw data of MSG1100D gyro

    图 5  MSG1100D的Allan标准差及其拟合曲线

    Figure 5.  MSG1100D′s Allan standard deviation and it′s fitting curve

    图 6  MEMS陀螺随机误差Kalman滤波效果图

    Figure 6.  Kalman filtering of MEMS Gyro random error

    图 7  Kalman滤波前后Allan标准差对比曲线

    Figure 7.  Allan standard deviation contrast curves before and after Kalman filtering

    图 8  动态下MEMS陀螺随机误差Kalman滤波效果图

    Figure 8.  Kalman filtering effect of MEMS gyro random error under dynamic condition

    表  1  MSG1100D陀螺的各项随机误差统计表

    Table  1.   Random error statistics of MSG1100D gyro

    随机误差项结果
    量化噪声Q/urad3.643 1×10-5
    角随机游走N/(°/ $\sqrt{h}$ )0.148 7
    零偏不稳定性B/(°/h)1.940 8
    速率随机游走K/(°/h $\frac{3}{2}$ )2.698 5
    速率斜坡R/(°/h2)24.167 9
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    表  2  AR模型拟合系数

    Table  2.   Fitting coefficients of AR model

    Modelφ1φ2φ3AIC
    AR(1)0.123 500-7.341 6
    AR(2)0.123 70.001 90-7.341 6
    AR(3)0.1240.017 760.128 1-7.358 1
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    表  3  滤波前后数据均值和方差对比

    Table  3.   Comparison of mean values and variance before and after filtering

    参数均值/(°/s)方差/(°/s)2
    滤波前7×10-36.087 8×10-4
    滤波后1.952 4×10-43.737 3×10-7
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    表  4  Kalman滤波后陀螺的各项随机误差统计表

    Table  4.   Statistics of gyro random errors after Kalman filter

    随机误差项滤波后结果随机误差降低百分比/%
    量化噪声Q/urad4.1×10-688.75
    角随机游走N/(°/ $\sqrt{h}$ )0.004197.24
    零偏不稳定性B/(°/h)0.054 297.21
    速率随机游走K/(°/h $\frac{3}{2}$ )0.334 387.61
    速率斜坡R/(°/h2)6.156 374.53
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  • [1] 查颖,周长省,鞠玉涛.制导火箭弹MEMS陀螺仪信号处理仿真[J].计算机仿真,2013,30(12):70-73.

    ZHA Y,ZHOU CH SH,JU Y T. Simulation of signal processing for MEMS gyroscope for rockets[J]. Computer Simulation,2013,30(12):70-73.(in Chinese)
    [2] 赵阳,裘安萍,施芹,等.硅微陀螺仪零偏稳定性的优化[J].光学 精密工程,2014,22(9):2381-2386.

    ZHAO Y,QIU A P,SHI Q,et al.. Optimization of bias stability for silicon microgyroscope[J]. Opt. Precision Eng.,2014,22(9):2381-2386.(in Chinese)
    [3] 贾方秀,裘安萍,施芹,等.硅微振动陀螺仪设计与性能测试[J].光学 精密工程,2013,21(5):1272-1278.

    JIA F X,QIU A P,SHI Q,et al.. Design and experiment of micro machined vibratory gyroscope[J]. Opt. Precision Eng.,2013,21(5):1272-1278.(in Chinese)
    [4] 沈军,缪玲娟,吴军伟,等.基于RBF神经网络的光纤陀螺启动补偿及应用[J].红外与激光工程,2013,42(1):119-123.

    SHEN J,MIAO L J,WU J W,et al.. Application and compensation for startup phase of FOG based on RBF neural network[J]. Infrared and Laser Engineering,2013,42(1):119-123.(in Chinese)
    [5] ZOU X F,LU X Y. Estimate method of MEMS gyroscope performance based on allan variance[J]. MEMS Device & Technology,2010,8(47):490-498.
    [6] 赵曦晶,刘光斌,汪立新,等.光纤陀螺温度漂移自适应网络模糊推理补偿[J].红外与激光工程,2014,43(3):791-793.

    ZHAO X J,LIU G B,WANG L X,et al.. Compensation for FOG temperature drift based on adaptive neurofuzzy inference[J]. Infrared and Laser Engineering,2014,43(3):791-793.(in Chinese)
    [7] 黄磊.光纤陀螺随机噪声的建模与滤波[J].弹箭与制导学报,2013,33(6):27-29.

    HUANG L. Modeling and filtering methods of FOG random noise[J]. J. Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance,2013,33(6):27-29.(in Chinese)
    [8] 于丽杰,高宗余.MEMS传感器随机误差分析[J].传感器与微系统,2012,31(3):63-65.

    YU L J,GAO Z Y. Stochastic error analysis on MEMS sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies,2012,31(3):63-65.(in Chinese)
    [9] 张宇辛,卞鸿巍,朱涛.MEMS陀螺随机误差的实验测试分析[J].舰船电子工程,2013,33(5):140-142.

    ZHANG Y X,BIAN H W,ZHU T. Testing and analysis for stochastic error of MEMS gyroscopes[J]. Ship Electronic Engineering,2013,33(5):140-142.(in Chinese)
    [10] TANG J H,FU Z X,DENG ZH L. Identification method for RLG random errors based on allan variance and equivalent theorem[J]. Chinese J. Aeronautics,2009,4(22):273-276.
    [11] 耿丹,许光明.小型激光陀螺随机误差的Allan方差分析[J].光学与光电技术,2013,11(1):12-13.

    GENG D,XU G M. Allan variance analysis of small laser gyro random error[J]. Optics & Optoelectronic Technology,2013,11(1):12-13.(in Chinese)
    [12] 陈晨,赵文宏,徐慧鑫,等.基于卡尔曼滤波的MEMS陀螺仪漂移补偿[J].机电工程,2013,30(3):311-313.

    CHEN C,ZHAO W H,XU H X,et al.. Compensation of MEMS gyroscope error based on Kalman filter[J]. J. Mechanical & Electrical Engineering,2013,30(3):311-313.( in Chinese)
    [13] 陈旭光,杨平,陈意.MEMS陀螺仪零位误差分析与处理[J].传感技术学报,2012,25(5):628-631.

    CHEN X G,YANG P,CHEN Y. Analysis and processing on zero position error of MEMS gyroscope[J]. Chinese J. Sensors and Actuators,2012,25(5):628-631.( in Chinese)
    [14] 吴峰.两轴平台稳定系统中MEMS陀螺误差建模与分析[D].天津:天津大学,2012:41-56.

    WU F. Error modeling and analysis of MEMS gyroscope in the two-axis platform stabilization system[D]. Tianjin:Tianjin University,2012:41-56.(in Chinese)
    [15] DIAO ZH L,QUAN H Y,LAN L D,et al.. Analysis and compensation of MEMS gyroscope drift[C]. 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology,IEEE,2013:592-595.
    [16] LIANG X,CHENG Y J,HONG L CH,et al.. A novel Kalman filter for combining outputs of MEMS gyroscope array[J]. Measurement,2012,3(45):745 750.
    [17] 林旻序,汪永阳,戴明,等.线性加速度计在压电陀螺卡尔曼滤波技术中的应用[J].中国光学,2011,4(6):600-604.

    LIN M X,WANG Y Y,DAI M,et al.. Application of linear accelerometer to Kalman filter for piezoelectric gyro[J]. Chinese Optics,2011,4(6):600-604.(in Chinese)
    [18] DONG H SH,GAMINI D. Convergence and consistency analysis for extended Kalman filter based SLAM[J]. Robotics, IEEE Transactions on,2007,23(5):1036-1049.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-02-29
  • 修回日期:  2016-04-14
  • 刊出日期:  2016-08-01

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