基于GUI的MEMS大量程陀螺儀快速標定設計*

張 慧 ，李 杰 ，2*，秦 麗 ，2，劉 俊 ，2，王一煥

（1.中北大學儀器與電子學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術國防重點實驗室，太原030051）

隨著現代科技的迅速發展，陀螺儀的種類也越來越多，同時慣性系統對其精度指標的要求也越來越高。在慣性導航系統中，陀螺儀是影響整個系統解算精度的關鍵因數。因此怎么來鑒定以及用什么樣的設備來鑒定陀螺儀的各項指標，以及其技術性能便成為非常重要、迫切需要解決的問題［1-3］。目前使用的測試設備和測試方法具有一定的局限性，因為它們只能模擬陀螺儀的部分工作條件，例如三軸位置速率轉臺對微機電陀螺儀的標定，轉臺的轉速只能達到幾百度每秒，對于大量程的陀螺微乎其微，因此，為了實現大量程陀螺的標定，設計一種新的標定模式。文中給出一種標定大量程陀螺儀的新方法。在地面建立標定系統，對陀螺儀進行標定流程，結合陀螺儀的輸出信號建立陀螺儀的數學輸出模型［4］。最后運用輸出結果進行驗證。該方法簡潔方便，可用于大量程陀螺儀的快速標定。

1 系統原理

系統結構如圖1所示，主要由標定設備和上位機組成，上位機控制電機按事先設置的程序運行。標定設備把數據通過實時傳給上位機，上位機進行數據分離及數據計算，然后分析數據得到陀螺儀的各項參數。

圖1 系統結構模塊框圖

標定系統的工作原理如圖2所示，首先將MEMS陀螺儀安裝在轉子平臺上，并連接滑環，實現信號傳輸，通過上位機控制電機轉動，MEMS陀螺儀必須安裝在正中間的位置，以提高他的同軸度［5］。

圖2 標定系統工作原理圖

轉動平臺采用的是3564K024BCS直流無刷伺服電動機，該電機體積小，出力大，響應快，速度高，轉動平滑，力矩穩定容易實現智能化控制，分辨率可達1/3 000圈，速率精度為±5×10-4。可以編程上位機直接輸出信號控制。驅動器和計算機或其它上位機采用零調制解調電纜連接，同時注意電纜的TxD和RxD端必須交叉。

圖3 串口連接圖

指令字由英文字母組成；可選的參數為數字；指令以回車符CR（ASCII碼的十進制代碼為13）作為結束。指令不區分字母的大小寫，空格（若夾雜的有）將被忽略。

［節點地址］指令字 ［參數］回車符CR

例如要以500 rpm的轉速驅動電機，則需上位機發送指令：V500［CR］。

MEMS陀螺儀輸出的是模擬信號，故需要經過模數轉換，此處用到的是ADS8365芯片，用Xilinx公司生產的XC2S100FPGA作為核心控制芯片，對陀螺的信號進行采集并發送，XC2S100通過模擬RS485串行通訊協議發送AD轉換后的數字信號，然后通過滑環傳到上位機中［6-8］。

采用大量程MEMS陀螺儀作為轉速測量的傳感器，16位高速同步模數轉換芯片ADS8365對陀螺儀輸出電壓進行采集并轉換，高速數字信號處理器TMS320F2812作為控制器對轉換后的數據進行處理，以此得到載體的轉速。

XC2S100通過RS232串行通訊接口接收的數字量按照一定的編碼方式編制成一定的幀格式傳到上位機，這樣有助于在PC機上進行數據分離以及數據查看，上位機讀取并保存數據后，把數據中無關的信息去除，就可以分離得到陀螺儀的模擬數字量。其數據幀格式如圖4所示［9］。

圖4 數據幀格式

數據幀格式中，第一和第二位為幀頭，由于識別每一幀的開始，第三到第五位是計數幀，計數幀若有丟失，則計數幀會有跳變；第六到第八為為數據位，也就是陀螺儀的數據，第八位是高位，第七位是低位，第六位是通道標號，可不做處理。數據以十六進制的格式保存，在分離前，對其進行處理。

通過上式，就可以把數據分離成模擬電壓值。

2 陀螺性能測試

當轉臺轉動時，帶動陀螺轉動，陀螺內部的質量塊收到哥氏加速度，使其上下振動，此時質量塊和極板之間的電壓也發生變化，從而輸出響應的電壓，陀螺的輸出電壓與所測量角速度呈近似線性關系［10］，通過輸入角速度與輸出電壓，擬合陀螺輸出電壓與轉速的關系曲線；求取曲線的零點與斜率，即陀螺的標度因數與零點電壓，通過進一步處理數據可以得到陀螺的靈敏度、零偏、非線性、靜止時輸出噪音、最小分辨率［11］。將大量程陀螺及數據采集存儲電路安裝在與電機相配合的內筒結構上，設置電機不同的轉速。這里以20 r/s的MEMS陀螺儀作為標定器件，為了測量精度的精準，設置多組正負對應轉速，進行一次擬合。轉速如下（單位：°/s）：

3 上位機GUI設計

上位機主要由三部分組成，第一部分為電機指令發送部分，通過串口給電機發送指令，控制電機以下面的轉速進行旋轉。第二部分是串口接收數據區，對陀螺的數據進行顯示及保存。第三部分是數據處理部分，也是上位機的核心部分，首先是數據分離，對分離的數據進行作圖，從而取出每一個轉速下對應的區間，對區間內的數求均值，得到的平均電壓值，然后運用Matlab的擬合函數，進行一次擬合，得到陀螺轉速與電壓之間的線性關系，零點和斜率就是陀螺的零點和標度因數。圖5為設計的GUI界面。

圖5 GUI界面圖

從接受區可以看到幀數據的準確性，沒有丟失的數據，可以判斷出數據的完整性。右側的圖形顯示區域顯示的是原始的標定數據，在不同的轉速下對應不同的反饋值。

4 數據分析

①通過對陀螺儀的輸出數據進行取點求均值處理，得到如下表的數據：

表1 不同轉速下對應的陀螺輸出電壓

標度因數反應的是陀螺輸出數據與外部輸入角速率作用下的變化情況，它是陀螺儀的重要指標。對輸出的數據進行最小二乘擬合處理，得到它的標定因數和零點，它的擬合曲線如圖6所示，數據擬合圖的橫坐標為轉速（°/s），縱坐標為陀螺輸出電壓值（V）。根據陀螺實際輸出和擬合直線的殘差最大值與滿量程輸出的百分百計算其線性度。

公式中，ΔYmax為最大殘差，YFS為滿量程輸出。

通過圖6數據分析可知，該陀螺儀的標度因數為0.285 675 4×10-3V/（°/s），零點電壓為2.498 104 251 V，它的非線性誤差小于0.01%FS。

圖6 擬合曲線

②分辨率表示在輸入角速率下能敏感到的最小角輸入增量，是陀螺儀靈敏度的重要指標之一［12］，根據國標的規定，分辨率對應的速率引起的陀螺儀輸出電壓的增量ΔF要大于擬合后標度因數所對應的陀螺輸出電壓增量ΔF^i的50%，即：

分辨率的計算公式為：

對陀螺儀做如下不同轉速，對ΔF和ΔF^i的值進行比較見表2。

表2

通過數據分析可得，該陀螺儀的分辨率為0.5°/s。為了驗證結論，同時更精確的測量，對比陀螺在轉速10°/s的轉速下的輸出值和在此基礎上不同變換值的電壓增量陀螺數據。

表3 分辨率驗證

實驗結果表明陀螺儀的分辨率小于等于0.5 °/s。

③圖7為陀螺儀在室溫下測得的無角速率輸入下的輸出值。從陀螺儀輸出數據可知陀螺靜止時的噪聲小于140°/s。

圖7 零速率輸入數據圖

④陀螺的零偏穩定性是陀螺儀測試的重要測試項目，對陀螺儀的解算補償有著很大的作用。當輸入角速率為零時，衡量陀螺儀輸出量圍繞其均值的離散程度。將陀螺儀安裝在標定設備臺面中心，使其敏感軸與轉動軸平行，在室溫下進行測試。將陀螺儀上電，靜止采集60 min，取后30 min數據，用Matlab對采集的原始數據進行處理，剔除掉無效數據點后按如下公式計算零位穩定性：

通過對陀螺靜止采集數據，后分離求標準差得到陀螺的零偏穩定性小于4 326.1°/h，角度隨機游走系數為。

5 結語

準確的慣性器件標定結果是確保慣性導航的關鍵因素，本文提出了快速標定大量程陀螺儀的設備，該設備通過上位機精確控制無刷直流伺服電機的轉動，對20 r/s的MEMS陀螺儀進行了標定，得到了標度因數的參數。實驗結果表明，該標定設備能夠簡單快速準確標定大量程的陀螺儀，能夠滿足MEMS陀螺儀標定需求，具有較強的應用價值。

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