丁巖松 劉毅 張迪

摘要：對(duì)載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺和微機(jī)械加速度計(jì)共同構(gòu)成的MEMS慣性測(cè)量組合在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下的姿態(tài)解算、初始對(duì)準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)行深入研究，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，根據(jù)MEMS測(cè)量組合的特點(diǎn)，給出其關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施方案，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

關(guān)鍵詞：載體驅(qū)動(dòng);微機(jī)械陀螺;MEMS

引言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種微機(jī)械陀螺，其體積小，功耗小、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)引起了各界研究的興趣。但阻礙其發(fā)展的瓶頸是敏感高速旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)（自旋、偏航/俯仰角速度，以及偏航、俯仰角度）的傳感器技術(shù)，這是涉及旋轉(zhuǎn)體實(shí)用化的核心技術(shù)。

新型微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）慣性測(cè)量組合則以其體積小、重量輕、功耗低、成本低、抗高過(guò)載等一系列優(yōu)勢(shì)成為對(duì)常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造的首選方案【1】?？梢?jiàn)，MEMS的研制、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用不僅是我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)品、國(guó)防、航天等領(lǐng)域發(fā)展迫切需求的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，而且具有十分重要的戰(zhàn)略意義和十分強(qiáng)烈的需求。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研制的MEMS慣性測(cè)量組合主要分為兩種：一是選取國(guó)外產(chǎn)品作為核心器件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理及外圍電路設(shè)計(jì);二是采用國(guó)產(chǎn)化器件，獨(dú)立進(jìn)行研制。其中，采用第二種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的慣性測(cè)量組合以其良好的性價(jià)比、小型化、低成本正在成為此領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)產(chǎn)化器件主要采用北京信息科技大學(xué)傳感技術(shù)研究中心研制的載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺，此新型MEMS 關(guān)鍵器件制造技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)水平已與國(guó)際同步，形成了較全面的硅基新型MEMS 研制能力，并研制出多種MEMS器件樣機(jī)。這種載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺不同于一般微機(jī)械陀螺，其本身沒(méi)有驅(qū)動(dòng)部件，利用旋轉(zhuǎn)體自旋作為驅(qū)動(dòng)力，與旋轉(zhuǎn)體共同構(gòu)成閉環(huán)回路慣性系統(tǒng)，其輸出單路載波-包絡(luò)信號(hào)經(jīng)過(guò)分離解算可以同時(shí)得到旋轉(zhuǎn)體的偏航、俯仰和自旋角速度姿態(tài)信息，因此具有三只傳統(tǒng)有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺的功能。采用載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺和微機(jī)械加速度計(jì)共同構(gòu)成的MEMS 慣性測(cè)量組合，具有測(cè)量精度高、可靠性高和使用成本低（相當(dāng)于其它慣性測(cè)量組合的1/3）等特點(diǎn)，特別適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)控。采用此器件研制的慣性測(cè)量組合在體積、質(zhì)量、功耗上都具有很大的優(yōu)勢(shì)，被稱為是傳統(tǒng)慣性測(cè)量組合的一次重大變革。

2 MEMS慣性測(cè)量組合的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MEMS慣性測(cè)量組合在環(huán)境下的姿態(tài)解算

采用由載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺和微機(jī)械加速度計(jì)共同構(gòu)成MEMS慣性測(cè)量組合，在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下實(shí)現(xiàn)常規(guī)彈藥制導(dǎo)。MEMS慣性測(cè)量組合的關(guān)鍵組成部件——載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺【2】，與旋轉(zhuǎn)體共同構(gòu)成閉環(huán)回路慣性系統(tǒng)，其輸出單路載波-包絡(luò)信號(hào)包含了旋轉(zhuǎn)體的飛行姿態(tài)信息，對(duì)其進(jìn)行分離、解算，從而得到旋轉(zhuǎn)體的偏航、俯仰和自旋角速度。

對(duì)微機(jī)械陀螺信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到旋轉(zhuǎn)飛行載體的滾動(dòng)角速度，或者利用加速度計(jì)信號(hào)求取滾動(dòng)角速度，因?yàn)閮烧呦嗟?輸出信號(hào)的包絡(luò)的幅值可以求取俯仰和偏航的合角速度，而俯仰和偏航的夾角恰好等于微機(jī)械陀螺信號(hào)和加速度計(jì)信號(hào)的相位差【3】。因此，微機(jī)械陀螺解調(diào)出旋轉(zhuǎn)飛行載體滾動(dòng)、偏航和俯仰角速度的算法過(guò)程如圖1所示。

其中：

（1）求濾波算法;

（2）求信號(hào)峰值算法;

（3）求包絡(luò)算法;

（4）求兩信號(hào)的相位差算法;

（5）求滾動(dòng)角速度算法;

（6）抑制滾動(dòng)角速度變化時(shí)對(duì)輸出信號(hào)影響，求解俯仰和偏航合角速度;

（7）相位差復(fù)合建模補(bǔ)償算法;

（8）實(shí)際相位差求解算法;

（9）偏航角速度和俯仰角速度求解算法;

（10）滾動(dòng)、俯仰和偏航角度求取算法。

微機(jī)械陀螺信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路以后，仍會(huì)有很大的噪聲。因此，在進(jìn)行信號(hào)解調(diào)之前，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑濾波。常見(jiàn)的濾波算法如：小波濾波算法、IIR濾波算法、FIR濾波算法、自適應(yīng)濾波算法、卡爾曼濾波算法、零相移濾波算法等【4】。通過(guò)各種濾波算法濾波前后信噪比的比較，部分算法濾波后相位發(fā)生偏移或者誤差較大。其中，零相移濾波算法沒(méi)有這兩個(gè)弊端，在微機(jī)械陀螺信號(hào)濾波中常被采用。

2.2 MEMS慣性測(cè)量組合的初始對(duì)準(zhǔn)

應(yīng)用于常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造中的MEMS慣性測(cè)量組合系統(tǒng)屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，其初始對(duì)準(zhǔn)的目的是確定姿態(tài)矩陣的初始值。對(duì)準(zhǔn)的精度和時(shí)間是初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)的兩項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)準(zhǔn)精度影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)志著快速反應(yīng)能力，因此要求初始對(duì)準(zhǔn)精度高、對(duì)準(zhǔn)時(shí)間短，即：精而快。為了達(dá)到這一要求，通常要求陀螺和加速度計(jì)具有高精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的魯棒性要好，對(duì)外界的干擾不敏感。

2.3 MEMS慣性測(cè)量組合的誤差分離與補(bǔ)償

為滿足彈道修正應(yīng)用，必須提高M(jìn)EMS慣性測(cè)量組合的測(cè)量精度，極大程度降低系統(tǒng)測(cè)量誤差【5】。因此要對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析和處理。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試在MEMS傳感器三軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行，它可在地面實(shí)驗(yàn)條件下模擬飛行體空間運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其中內(nèi)框模擬飛行體旋轉(zhuǎn)，中框和外框轉(zhuǎn)臺(tái)分別模擬俯仰和偏航，可以實(shí)現(xiàn)模擬飛行體自轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三維運(yùn)動(dòng)。通過(guò)采集卡，可以記錄飛行體三維姿態(tài)作為飛行體姿態(tài)基準(zhǔn)信息，陀螺輸出的飛行體信息進(jìn)行比較。以驗(yàn)證信號(hào)解調(diào)的可靠性、適應(yīng)性。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的工作條件， 可以確定轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程。

4結(jié)束語(yǔ)

MEMS慣性測(cè)量組合有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。利用旋轉(zhuǎn)載體自身角速度作為驅(qū)動(dòng)力，從而構(gòu)成沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電路及其驅(qū)動(dòng)梁的硅微機(jī)械陀螺，其原理正確。針對(duì)載體驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺輸出信號(hào)解調(diào)這一難點(diǎn)問(wèn)題，基于對(duì)信號(hào)處理電路和輸出波形的分析，給出了可供參考的算法。

參考文獻(xiàn)

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