MEMS慣性測量單元設計與相關技術研究.pdf

1、隨著技術的發(fā)展，MEMS慣性測量單元的精度不斷提高，又因其具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點，在越來越多的領域得到了廣泛應用。MEMS慣性測量單元的研制對國民經(jīng)濟和國防建設都具有重要的價值?；诠栉⑼勇輧x和硅微加速度計，本文針對某水下裝置研制了一款MEMS慣性測量單元，并對系統(tǒng)中硅微陀螺儀的溫度補償技術和慣性測量單元的耦合誤差補償技術進行了研究。全文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)分析了硅微陀螺儀、硅微加速度計的動力學模型和工作原理，對

2、硅微陀螺儀溫度誤差來源進行了分析，表明其主要來源于材料和電路元器件的溫度特性，介紹了MEMS慣性測量單元的誤差分類，為后續(xù)溫度補償和耦合誤差補償提供了基礎。
　　(2)針對MEMS慣性測量單元的應用環(huán)境和工程需求，進行了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計和模態(tài)、諧響應、瞬態(tài)響應仿真分析，完成了硅微陀螺儀測控電路、加速度計配置電路和信號采集及數(shù)據(jù)處理FPGA數(shù)字電路設計與優(yōu)化，系統(tǒng)軟件框架及信號采集、數(shù)據(jù)處理和通信等軟件的設計，實現(xiàn)了MEMS慣性測量

3、單元樣機。
　　(3)基于溫度對硅微陀螺儀品質(zhì)因數(shù)、固有頻率和零偏影響機理的分析，分別設計了線性和分段線性模型對陀螺儀的常溫和全溫零偏輸出進行離線和實時溫度補償，通過補償前后陀螺儀性能對比以及離線與實時補償效果對比，驗證了所采用溫度補償模型的正確性和有效性;
　　(4)在對MEMS慣性測量單元誤差進行分析的基礎上，建立并簡化了MEMS慣性測量單元的耦合誤差模型，設計標定實驗測試并計算了耦合矩陣和解耦矩陣的參數(shù)，在FPGA中實

4、現(xiàn)了對系統(tǒng)耦合誤差的實時補償，實驗結(jié)果表明建模補償明顯減小了系統(tǒng)的交叉軸耦合誤差，提高了MEMS慣性測量單元的檢測精度。
　　(5)通過實驗完整評估了所設計的MEMS慣性測量單元的性能。其中陀螺儀和加速度計的標度因數(shù)非線性度分別小于100ppm和0.25％FS，常溫零偏穩(wěn)定性分別小于4°/h和200ug，全溫零偏穩(wěn)定性分別小于30°/h和2mg，量程分別達到士150°/s和±30g，整機功耗1.578W。測試結(jié)果表明所設計的MEM