硅微陀螺漂移信號(hào)處理方法研究.pdf

1、硅微機(jī)械陀螺與傳統(tǒng)的機(jī)電類陀螺和光電類陀螺相比,具有成本低、尺寸小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)硅微機(jī)械陀螺的研究與開發(fā)已經(jīng)成為近幾十年來(lái)的研究熱點(diǎn)。基于目前的設(shè)計(jì)和加工水平,國(guó)內(nèi)研制的硅微陀螺樣機(jī)的精度還比較低。提高其可用精度的方法之一是對(duì)硅微陀螺漂移應(yīng)用有效的信號(hào)處理方法進(jìn)行處理并補(bǔ)償。論文以本實(shí)驗(yàn)室已研制的硅微陀螺樣機(jī)為基礎(chǔ),運(yùn)用不同的信號(hào)處理方法,對(duì)其隨機(jī)漂移進(jìn)行分析處理和補(bǔ)償,有效提高了硅微陀螺的測(cè)量精度。論文的主要工作如下：

2、 (1)概述了目前國(guó)內(nèi)外硅微陀螺漂移信號(hào)的處理和補(bǔ)償方法,分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 (2)系統(tǒng)研究了硅微陀螺的靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)技術(shù),分析了檢測(cè)靈敏度、工作帶寬等性能指標(biāo)與陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)及固有頻率等參數(shù)之間的關(guān)系,探討了影響硅微機(jī)械陀螺儀性能指標(biāo)的正交誤差、頻率偏移、軸向干擾加速度、熱噪聲等誤差產(chǎn)生的原因以及抑制或消除這些誤差所采取的措施。 (3)基于本實(shí)驗(yàn)室研制的硅微陀螺樣機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù),利用時(shí)間序

3、列分析方法對(duì)硅微陀螺漂移信號(hào)差分后的AR模型系數(shù)的重復(fù)性進(jìn)行分析,提出一種在線確定AR模型系數(shù)的方法。同時(shí),提出利用自適應(yīng)補(bǔ)償方法對(duì)硅微陀螺隨機(jī)漂移信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)DDS的時(shí)間序列分析方法的結(jié)果和AR模型的分析結(jié)果進(jìn)行了比較。基于硅微陀螺漂移模型中存在的非線性,采用UKF濾波方法對(duì)AR建模后的陀螺漂移進(jìn)行處理,消除了環(huán)境噪聲與陀螺的非線性耦合引起的隨機(jī)漂移,克服了時(shí)間序列處理方法中模型參數(shù)的不確定性和不穩(wěn)定性,提高了硅微陀螺的測(cè)量精度。

4、 (4)對(duì)小波變換的基本理論和不同的小波去噪方法進(jìn)行了研究和分析、比較。選擇小波變換的閾值去噪方法對(duì)陀螺漂移信號(hào)進(jìn)行了去噪處理。對(duì)小波基和閾值的選取進(jìn)行了分析。針對(duì)硅微陀螺漂移信號(hào)的特點(diǎn),運(yùn)用中值濾波和小波平移不變?yōu)V波相結(jié)合的聯(lián)合濾波方法有效消除了漂移信號(hào)中的脈沖信號(hào)和信號(hào)處理過(guò)程中出現(xiàn)的偽吉布斯現(xiàn)象。考慮到小波變換過(guò)程中的運(yùn)算負(fù)擔(dān),提出一種可以省去抽取和內(nèi)插過(guò)程的小波快速算法。根據(jù)離散小波變換分頻段的特點(diǎn),對(duì)小波變換后的尺度系

5、數(shù)和小波系數(shù)運(yùn)用前向線性預(yù)測(cè)技術(shù),可以更加有效地提高漂移信號(hào)的去噪效果。實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,綜合運(yùn)用上述小波變換的處理方法,可以提高小波變換的去噪能力,算法的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性并沒(méi)有增加多少。 (5)同類多傳感器的信息融合技術(shù)可以獲得比它的組成部分更優(yōu)越的性能。平均加權(quán)法、最優(yōu)加權(quán)法、Kalman濾波等方法是一些最常用的信息融合算法。運(yùn)用硅微陀螺陣列技術(shù)和信息融合的信號(hào)處理方法是提高硅微陀螺的測(cè)量精度的一種有效途徑。基于硅微陀

6、螺測(cè)量的一種隨機(jī)信號(hào)模型和硅微陀螺陣列信號(hào),利用Kalamn濾波方法對(duì)硅微陀螺陣列信號(hào)進(jìn)行了信息融合,對(duì)融合后的總體漂移特性進(jìn)行了分析和研究,重點(diǎn)對(duì)融合后的硅微陀螺的靜態(tài)漂移和陣列中各陀螺之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,在合適的相關(guān)性條件下,融合后硅微陀螺陣列的漂移可以降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。即使不考慮陀螺之間的相關(guān)性,這種融合方法對(duì)陀螺陣列性能的改進(jìn)比常用的平均加權(quán)和最優(yōu)加權(quán)的信息融合方法也要好很多。 根據(jù)動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量過(guò)程的

7、特點(diǎn),論文運(yùn)用了陀螺陣列的冗余檢測(cè)技術(shù)和信號(hào)差分技術(shù),通過(guò)合適的融合方程,可以間接獲得硅微陀螺的實(shí)時(shí)漂移,進(jìn)而獲得外界真實(shí)的角速度。同時(shí),結(jié)合硅微陀螺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,提出對(duì)已分離出的陀螺漂移的動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的Kalman濾波處理,使得測(cè)量噪聲得到有效降低,動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程的信噪比也得到顯著提高。如果對(duì)陣列中的陀螺進(jìn)行合理搭配,該方法可以將硅微陀螺陣列的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。 為了增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理算法的魯棒性,論文運(yùn)用H_∞濾