小型化MEMS陀螺儀標定平臺的設計

侯為萍，孫 敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

小型化MEMS陀螺儀標定平臺的設計

侯為萍，孫 敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

基于角速率轉臺體積大、結構復雜、標定范圍小、移動性差等現狀，設計了一種標定范圍廣的小型化MEMS陀螺儀標定設備，在此基礎上提出了一種角速度積分標定方法，通過將陀螺儀電壓信號積分值與實際轉動角度進行線性擬合，從而求得陀螺的標度因數。實驗表明，該系統標定原理簡單可靠，并且標定精度取決于角位置精度和角位移量，降低了對角速度精度的要求，從而大大減小了設備體積和設計難度。

MEMS陀螺儀；標定設備；標度因數；伺服系統

MEMS陀螺儀由于具有體積小、可靠性高、抗沖擊能力強、測量范圍大的優點，在空間小、環境惡劣、角速度變化范圍大、精度要求不高的場合得到廣泛應用[1，2]。作為MEMS陀螺儀的主要標定設備，高精度速率轉臺能提供高精度的角速度、角加速度、角位置信息，但是由于體積大、結構復雜、價格高、速率范圍小，限制了其在某些特殊要求場合的應用[3]。

針對以上問題，設計了一種小型化MEMS陀螺儀標定平臺，并提出了一種基于該標定平臺的新型標定方法，該方法的基本原理是：陀螺儀的角速度信息積分與標定平臺的角位置是一致的，通過獲取標定平臺的角位置信息和時間，就可以對陀螺儀的標度因數進行標定，從而降低了對標定設備的轉速精度要求，有利于降低標定設備的體積和成本。

1 小型化標定平臺

小型化MEMS陀螺儀標定平臺主要分為三部分，即底座、伺服系統和標定臺，如圖1所示。底座為整個系統提供支撐作用，通過通孔可以方便地固定到平臺上；伺服系統是整個系統的執行機構，可以帶動標定臺以某一角速度轉動精確的角位置；標定臺上有固定尺寸的螺紋孔，為標定器件提供安裝平臺。

圖1 平臺結構圖

2 平臺系統組件介紹

2.1 伺服系統

該設計所用的是無刷直流伺服控制系統，其額定功率為100 W，轉速精度為0.1%，位置精度為0.088°，額定轉速為3000 r/min，能標定大多數量程的陀螺儀。上位機能方便控制伺服系統的運動狀態，反饋實時位置和速率信息，并且可以方便的編寫運動控制程序，實現自動化傳感器標定。

2.2 采集存儲器

采集存儲器以TMS320F2812為控制核心，控制ADS8365進行高精度的信號采集，并將采集到的數據存入FLASH中。由于該標定平臺的標定原理基于陀螺儀的精確積分，所以通過定時器將采集存儲器的采樣頻率定為10 kHz，即采樣時間為0.1 ms[4]。

3 標定原理

3.1 MEMS陀螺儀通用標定原理

將MEMS陀螺儀固定在速率轉臺上，設定高精度速率轉臺繞陀螺儀軸向方向以速率方式運行，若陀螺儀的最大量程為ωmax，則角速度可在-ωmax～ωmax范圍內等間隔選取13組（組數可根據具體需求適當改變），則MEMS陀螺儀會相應的輸出13組電壓值，通過將轉速與電壓值進行直線擬合，則可求出MEMS陀螺儀的標度因數和零點電壓。但是由于MEMS陀螺儀零點電壓受環境（特別是溫度）的影響很大，所以在實際應用中，將靜止環境下MEMS陀螺儀的輸出電壓值作為零點電壓[5-7]。

3.2 小型化標定平臺標定原理

用角速度對MEMS陀螺儀進行標定的前提是標定設備能輸出精確的角速度，但是由于該小型化標定平臺應用的無刷直流伺服控制系統的轉速精度為0.1%，達不到標定設備的精度要求，所以設計了應用陀螺儀積分信息進行標定的方法，該方法的基本原理為：

在靜止環境下測量陀螺儀的零點電壓值u0，設置電機以角速度ω1轉動角度θ1，若耗時為t1(s)，由于采集存儲器的采樣頻率為10 kHz，采樣間隔時間T為0.0001 s，則該段時間內陀螺儀的輸出的離散電壓值為u1，u2……ut1×10000。設定陀螺儀的標度因數為k1[V/（°/s）]，則t1時間內陀螺儀測量出轉過的角度θ～1滿足式1。

由式1可求得MEMS陀螺儀在ω1處的標度因數k1，如式2所示：

由式2可看出，標度因數k1的精度不取決于伺服系統的轉速精度，只與單位時間內的角增量和伺服系統的位置精度有關。但是由于電機位置精度的限制，陀螺儀積分得到的角度值與設定的角度值之間存在角度誤差Δθ1，可以通過增加轉過的角度θ1（即增加轉動時間t1）來減小Δθ1對標度因數的影響。

根據以上標定原理，可在 -ωmax～ωmax范圍內等間隔選取13組角速度ω1，ω2……ω23，設定轉過的角度依次是θ1，θ2……θ23，則可求出不同轉速下的標度因數 k1，k2……k23。通過將標度因數與轉速進行線性擬合便可得出陀螺儀的標度因數。

4 實驗驗證

以7 200°/s量程的MEMS陀螺儀為例，轉臺分別以角速度7 200°/s、6 000°/s、4 800°/s、3 600°/s、2 400°/s、1 200°/s、0°/s、-1 200°/s、-2 400°/s、-3 600°/s、-4 800°/s、-6 000°/s、-7 200°/s帶動MEMS陀螺儀轉動，每個轉速轉動約10 s，原始電壓值如圖2所示。

由圖中可看出，陀螺儀有13段時間處于靜止狀態，對這些時間段內電壓值取平均值，便可得陀螺儀在當前環境下的零點電壓，經過求取可得該值為2.498 340 V。根據式（2）可求得不同轉速下的標度因數k1，k2……k13，標度因數隨轉速的變化見圖3所示。

圖2 原始電壓值

圖3 標度因數隨轉速的變化

從圖3中可看出，不同轉速下的陀螺標度因數在很小的范圍內存在一定的波動，即陀螺的非線性度。通過線性擬合后，求得該MEMS陀螺儀的標度因數為0.000 285 675 V/（°/s）。

5 結論

本文介紹了一種體積小，結構簡單，便于移動，標定范圍廣，性價比高的MEMS陀螺儀標定設備，在此基礎上提出了一種角速度積分標定方法，從理論分析角度驗證了其正確性，并經過試驗驗證了該方法的可行性。該設計為MEMS陀螺儀的標定提供了新的方法，具有一定的工程應用價值。

[1] 陳旭光，楊平，陳意.MEMS陀螺儀零位誤差分析與處理[J].傳感技術學報，2012，25(5)：628-632.

[2] 谷慶紅.微機械陀螺儀的研制現狀[J].中國慣性技術學報，2004，11(5)：67-72.

[3] 葉輝.高平穩低速率轉臺測角系統的設計和研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[4] 楊磊，崔敏，馬鐵華等.基于TMS320F2812的數據采集和處理的系統設計[J].電子測試，2011(9)：50-53.

[5] 李杰，洪惠惠，張文棟.MEMS微慣性測量組合標定技術研究[J].傳感技術學報，2008，21(7)：1169-1173.

[6] 彭孝東，陳瑜，李繼宇，等.MEMS三軸數字陀螺儀標定方法研究[J].傳感器與微系統，2013，32(6)：63-65.

[7] 黨建軍，羅建軍，萬彥輝.基于單軸速率轉臺的捷聯慣測組合標定方法[J].航空學報，2010，31(4)：1164-1168.

The Design of Miniature Calibration Platform for MEMS Gyroscope

HOU Weiping，SUN Min

(The 45thInstitute of CECT，Bejing 101601，China)

Based on the fact that rate turn table has disadvantages of big volume，complicate structure，limited range and mobility，designed a high-ranged miniature calibration device for MEMS gyroscope，and then put forward a new calibration method of rate integration，which obtains the scale factor of gyroscope by linear fitting the integral voltage value of it and the angular displacement information from turn table.Experiments show that this calibration method is simple and reliable and the calibration accuracy depends on angular position precision and angular displacement more than rate accuracy，decreasing the design requirement and volume.

MEMS gyroscope；Calibration equipment；Scale factor；Servo system

TN305

A

1004-4507(2015)02-0004-04

侯為萍（1983-），女，工程師，碩士學位，主要從事電子專用設備的軟件研發工作。

2015-01-08