MEMS惯性组件温度特性分析与建模

1、MEMS惯性组件温度特性分析与建模研究背景标定注意事项温度标定补偿模型建立实验测试平台测试结果与分析研究背景 随着科技发展，MEMS组件由于其自身体积小、重量轻等优点得到广泛应用，是导航位置、姿态解算的重要元器件。但由于实验环境不确定性，使用过程会伴随各种误差源，同时，环境温度变化对MEMS组件偏差也会产生影响，在惯性导航实验中，随着时间累计，温度变化造成器件误差改变量也将不断增加。 对于MEMS温度特性研究，众多研究者已加入其中。罗兵等提出快速温度标定方法，相对传统方法，保证模型准确性同时节省大量时间。程龙、王寿荣等采用多项式拟合方法，使MEMS在全温区间分段拟合有较好补偿效果。赵旭、苏中等

2、提出无需分段、全温度区间新型线性回归补偿模型。标定注意事项 (1)转台转动轴的选择 大量的标定实验表明，按速率方式操作转台时，若陀螺不同敏感轴对转台不同轴向角速度敏感不同，即假设陀螺X敏感轴敏感转台方位轴向角速度， Y敏感轴敏感转台俯仰轴向角速度， Z敏感轴敏感转台横滚轴向角速度，将会出现由于转台自身每个轴向角速度精度不一致，而导致采集解算过程中同一敏感轴零点数据值出现偏差现象。解决的方法是，选取转台同一轴作为统一标准输入轴，即让陀螺的三个敏感轴都敏感转台同一个轴向的角速度输入。例：用陀螺X敏感轴敏感转台方位轴向角速度， Y敏感轴也敏感转台方位轴向角速度， Z敏感轴同样敏感转台方位轴向角速度，

3、这样可以有效地避免由于转台自身的原因导致零点误差和标定系数不准确。标定注意事项 (2)影响标定精度的因素 电源精度 在实验过程中发现，加速度计的电源电压发生变化也会导致输出误差变大，所以在标定实验过程中，应尽量选用稳定的电压源对加速度计供电，以减小输出误差。 温度变化 在标定过程中，温度也是影响标定系数和耦合系数的重要因素之一。所以在程序中尽量对温度产生的误差做相应补偿，减小温度在标定过程中的影响。 测量噪声 在实验过程中，周围的环境噪声因素也会对标定结果产生影响。所以需要对噪声做出分析，找出规律，建立噪声模型进行相应的滤波和补偿。温度标定补偿模型建立(1) 温度模型 结合MEMS陀螺随温度变

4、化曲线，使用最小二乘估计方法确定对陀螺仪输出均值建立进行数据拟合。分别对陀螺仪三轴建立多项式拟合，设X、Y、Z 轴拟合方程分别为：12(1)( )(3)(2)(1( )nnxxxxxxY Tp nTp n TpTpTp12(1)( )(3)(2)(1( )nnyyyyyyY Tp nTp n TpTpTp12(1)( )(3)(2)( )(1)nnzzzzzzY Tp nTp n TpTpTp式中， 、 、 为MEMS三轴器件不同温度点输出数据均值，其中加速度计输出单位为 m/s2，陀螺仪输出单位为/s ；T 为器件内部温度输出，单位为 为各轴拟合误差系数。( )xY T( )yY T( )z

5、Y T( )(, , ;1,2, ,1)ipj ix y z jn n温度标定补偿模型建立温度标定补偿模型建立温度标定补偿模型建立(2) 标定补偿方法最小二乘法 采用MATLAB 定义最小二乘计算函数lsp();在数据处理程序中调用lsq();拟合温度标定补偿模型，获取各轴拟合误差系数，绘制拟合曲线。论文以X轴温度数据为例，分别绘制静态处理与最小二乘拟合图形。（图1、2所示）温度标定补偿模型建立温度标定补偿模型建立温度标定补偿模型建立0510152025303540-0.015-0.012-0.009-0.006图1 静态数据处理图温度标定补偿模型建立温度标定补偿模型建立图2 最小二乘拟合曲线

6、图实验测试平台(1) 三轴测试转台 利用加速度计和陀螺仪提供的加速度及角速率信息，对惯性组件误差参数进行辨识，将实验室现有MTI型惯性测量单元（指标如表1）固定于三轴转台（转台技术参数如表2所示）平面上，进行转台调平，保证器件坐标系与转台坐标系一致（如图3）。图3 惯导测试三轴转台实验测试平台(1) 三轴测试转台表1 MTI主要性能指标参数项陀螺仪加速度计标准里程450 /s50 m/s2零偏不稳定性10 /h40g轴敏感值0.003/s/g非正交性0.05deg0.05deg非线性0.01 %FS0.030.05 %FS噪声0.01 /s/Hz80 /Hz带 宽415375 gg表2 惯导测

7、试转台技术参数参数名称参数值负载要求重量40kg台体回转精度3位置精度3位置分辨力0.0001速率范围0.005 /s200 /s速率精度510-5（360平均）实验测试平台(2) 高低温控环境温控试验箱 如图4所示为论文温度实验依托的主要平台惯导测试高低温控试验箱，其主要性能指标详见表3，由于实验室温控箱无法获取器件动态数据，因此论文采用静态温度数据进行温度误差分析与补偿。图4 惯导测试高低温控试验箱实验测试平台(2) 高低温控环境温控试验箱型号高低温湿热试验箱控制器触摸屏可编程仪表温度显示精度0.1 湿度显示精度0.1 % RH温度稳定度0.1 湿度稳定度1.5 % RH升降温速率每分钟0.7 1.5 （非线性空载平均）电器控制系统控制器640480点阵，彩色显示器运行方式为程序方式、包含中英文菜单定值方式设定，触屏方式