大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10~(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10~(-3)。     

加速度计在精密离心机上的标定方法与误差分析

为了提高加速度计非线性误差系数在离心机上的标定精度,应对离心机的误差源进行准确地分析和有效地分离。首先,通过分析双轴离心机的误差源建立了相应的坐标系,利用齐次变换法推导了加速度计在离心机上的精确比力输入并建立了加速度计的标定模型。其次,分析了相应误差项对加速度计零偏、标度因子和非线性误差项系数的标定影响,设计了加速度计在离心机上标定时的误差分离方法。最后,通过实验对加速度计的误差模型系数进行了辨识。结果表明,该方法能够准确分离出失准角误差和偏心误差,非线性误差系数的标定不确定度量级为10~(-4),能够有效提高加速度计的标定精度。     

基于迭代估计的三轴加速度计温度模型参数外场标定方法

为补偿加速度计标度因数和零偏的热漂移误差,设计了一种可估计内场恒温环境下参数变化量的加速度计温度参数模型,并提出了基于迭代估计的温度模型参数外场标定方法。该方法不依赖精密的惯性测量设备和温箱,仅在重力场内对加速度计进行连续多组位置观测,充分利用加速度计冷启动过程产生的热漂移误差进行模型参数辨识,解决了加速度计温度误差特性和启动温度点相关的问题。针对加速度计测量信号为高斯白噪声的特点,建立了关于温度模型参数矢量和多组位置倾斜矢量的非线性准则函数,提出了两步迭代估计方法实现两组参数矢量的分离估计。根据不同位置下三轴加速度计输出信号粗略提取倾斜矢量,解决了迭代估计算法的初值问题。重力场内通过优化分析加速度计温度模型参数对重力值的灵敏度,设计了6组位置观测编排。实验结果表明,温度误差补偿前的重力值测量最大误差为3.62×10-4g,而温度误差补偿后重力值测量误差小于1×10-5g;同时,温度误差补偿前系统3 h纯惯性导航最大定位误差为1186 m,而温度误差补偿后最大定位误差小于600 m,从而表明提出的外场标定方法的有效性。     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

静电加速度计标度因数和零偏误差标定

为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合非线性Batch估计算法,研究了静电加速度计标度因数和零偏误差标定。首先,充分考虑静电加速度计量测过程中可能出现的各种误差源并进行分析,建立了静电加速度计在动态设计良好并进入稳态后,卫星姿态稳定度优于0.01°/s,卫星质心保持精度优于2mm的情况下的量测模型。然后,将高精度地球引力场模型和静电加速度计量测数据代入非线性Batch估计算法的的动力学方程中,将GPS量测数据代入非线性Batch估计算法的量测方程中,建立了静电加速度计标定因数和零偏误差标定模型。最后,通过数学仿真验证了该方法的可行性,其标定精度可达到0.2%,具有一定工程应用参考价值。     

一种基于角振动台的SINS加速度计通道频率特性测试方法

提出一种针对SINS加速度计通道的频率特性测试方法。该方法基于角振动台的正弦摇摆运动,利用加速度计的外杆臂效应实现对加速度计通道的率特性测试。该方法的关键在于加速度计的外杆臂参数标定和杆臂效应误差补偿计算,采用该文章提出的频率内标定方法以及双子样补偿计算公式,能很好地解决这些问题。通过理论分析和实验数据处理表明,该方法能够实现加速度计通道的频率特性测试,测试精度主要取决于外杆臂长度的标定精度。该方法操作方便,具有一定的参考价值。     

精密线振动特性离心机的误差分析

精密线振动是实现高阶误差项测试的有效方法,误差分析则是保证其测试方案完善、测试精度提高的关键。在高精度加速度计测试中,微小的设备误差对测试结果的影响往往无法忽略,为进一步提高测试精度,需要对测试设备的误差进行分析。我们首先给出了具有精密线振动特性离心机的工作原理和输出特性;然后建立包含安装误差和设备误差的离心机模型,并根据动态加速度合成定理,采用矢量方法推导出离心机输出加速度表达式;最后分析了在加速度计坐标系下,双轴离心机产生正弦加速度时,每个非独立误差源对加速度计输入比力的影响,为解决精密线振动试验方案设计和误差补偿研究提供了理论参考。     

一种低精度惯性测量单元的精确标定技术

低精度惯性测量单元的温度特性和非线性严重，为补偿光纤陀螺的温度特性和非线性，通过高低温、多速率的标定实验研究了光纤陀螺输出电压与温度、转速的关系，采用零偏和标度因数统一标定的思想提出了光纤陀螺分段模型；为补偿MEMS加速度计的温度特^陛，通过高低温位置实验研究了加速度计输出电压与温度、输入加速度的关系，提出了加速度计分段模型。采用逐步线性回归对以上模型进行了简化。实时补偿效果表明，当温度从-30℃到60℃变化时，在±60（°）／s转速内角速度误差基本小于0．02（°）／s，加速度误差小于0．005g．     

精密离心机的惯性组合加速度计的参数标定方法

为了实现应用精密离心机对捷联惯导系统不拆分整体标定时各加速度计误差模型系数进行精确辨识,分析了可能影响加速度计标定精度的离心机误差源进而建立了相应的坐标系.在考虑各加速度计与反转平台轴线距离的情况下,应用齐次变换法计算了各加速度计各轴实际的比力输入,结合给定的加速度计误差模型,设计了一种可辨识误差模型中全部二阶误差模型系数的测试方法.仿真结果表明,该方法经修正离心机误差后可以有效地提高所有误差模型系数的标定精度,并能给出各加速度计与反转平台轴线的距离.仿真还分析了离心机误差对标定精度的影响,结果表明:离心机误差项主要影响1号加速度计 KF、KP、KPP 的标定精度,而对于 KII、KIO 的标定无影响;另外主要影响2号加速度计 KF,KI,KII 的标定精度,以及3号加速度计 KF、KO 的标定精度.     

基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节

闭环零点位置对差动电容式静电加速度计性能具有重要影响,闭环零点偏离机械零点会增大标度因子非线性。为精确调节闭环零点,提出了一种等效变预载闭环零点调节方法,能够在预载和反馈电压不对称情况下实现闭环零点位置的精确辨识和调节。利用静电加速度计原理样机测试了闭环零点调节前后的系统非线性特性,实验结果表明采用上述方法进行闭环零点调节后,表征标度因子非线性的二次项系数由-1.7×10-7降低为-3.3×10-8,验证了上述方法的有效性。     

挠性捷联惯性导航系统误差补偿技术

为了补偿载体角运动和振动引起的捷联惯性导航系统导航误差,通过分析载体角运动引起的圆锥误差,挠性陀螺刻度因数非线性、姿态角速率引起的加表零位变化等因素对导航结果的影响,采用三子样算法和非线性补偿技术,对上述误差进行了补偿。摇摆试验和跑车试验证明,通过上述补偿后,姿态精度、水平定位精度、垂直定位精度有明显的提高。     

双航海惯导联合旋转调制协同定位与误差参数估计

单轴/双轴旋转调制航海惯导备份配置满足了舰艇对于定位精度、可靠性、成本的综合要求,但系统间缺少信息融合。针对此问题,以单轴旋转惯导的姿态误差、速度误差、位置误差与双轴旋转惯导对应误差的差值以及两套惯导的陀螺常值漂移、水平加速度计常值零偏为系统状态,并以二者间扣除杆臂效应后的速度及位置的差值为观测量,通过联合旋转调制,改变两套系统IMU的相对姿态关系。分段常值可观测性分析表明,所有系统状态完全可观。建立了定位误差预测方程,对单轴旋转惯导方位陀螺漂移造成的定位误差进行预测补偿。实验结果表明,对单轴旋转惯导方位陀螺漂移造成的定位误差预测补偿后,其定位误差减小了30%,不仅满足了高可靠性的要求,而且提高了故障情况下的导航精度。     

Event-triggered robust adaptive control for uncertain nonlinear systems preceded by actuator dead-zone

It is both theoretically and practically important to investigate the problem of event-triggered adaptive tracking control for a class of uncertain nonlinear systems subject to actuator dead-zone, which aims at reducing communication rate and compensating actuator nonlinearity simultaneously. In this paper, to handle such a problem, an event-trigger based adaptive compensation scheme is proposed for the system preceded by actuator dead-zone. The challenges of this work can be roughly classified into two categories: how to compensate the nonsmooth dead-zone nonlinearity and how to eliminate the quantization signal effects caused by event-triggered strategy. To resolve the first challenge, a new decomposition of dead-zone mathematical model is employed so that dead-zone nonlinearity can be successively compensated by using robust approach. In addition, an adaptive controller and its triggering event are co-designed based on the relative threshold strategy, such that an asymptotic tracking performance can be ensured. The proposed scheme is proved to guarantee the globally bounded of all closed-loop signals and the asymptotic convergence performance of tracking error toward zero. The simulation results illustrate the effectiveness of our proposed control scheme.     

炮载捷联惯导晃动误差补偿方法

以某型自行火炮为研究对象,分析了其在匀速直线行驶过程中车体晃动的特点。提出了利用加速度信息修正陀螺信息的晃动补偿新方法,并详细推导了补偿公式,利用传统解析法实现了自行火炮在匀速直线行驶条件下粗对准。仿真结果表明,利用加速度计信息可以准确得出当前姿态角和角速度,并且能够有效补偿陀螺晃动误差。在跑车试验中,首先利用FIR数字滤波器处理加速度计输出信息,然后用所提补偿方法补偿陀螺输出,结果表明在匀速直线行驶条件下,经过晃动补偿后传统解析式粗对准的精度与未经补偿的惯性系粗对准的精度相当,水平失准角均优于0.1021mil,航向失准角优于3.8603mil,表明该方法具有良好的工程适用性。     

捷联惯性测量组合误差系数的软件补偿法研究

针对捷联惯性测量组合误差的数学模型,提出了惯性组合误差补偿的计算方法,推导了计算过程,得到了陀螺和加速度计误差补偿公式.通过补偿计算,能够得到弹体在采样时间间隔内运动的视速度增量和角增量.该算法能够满足应用的精度要求,对捷联惯性测量系统的误差补偿有一定的有效性和可行性.     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

温度、预载电压对MEMS加速度计输出的影响

梳齿式微机械加速度计的微机械结构在工作中受到预载电压、温度等多种因素的影响,输出具有非线性,研究指出这种非线性度和微机械结构的闭环位置相关.为了明确非线性度的来源,将从其系统模型入手分析,给出闭环状态和输出非线性度的定量关系.此外,环境因素也会通过加力电路间接的影响闭环系统的输出造成非线性度,文中将着重研究预载电压对称性和环境温度这两个重要的环境因素通过检测电路影响输出线性度的情况,并给出了实验验证.     

惯性测量组件整体标定技术

研究了惯性测量组件中陀螺与加表的标度系数、零偏、安装耦合误差等的标定问题。建立了陀螺与加表的输入输出模型,提出了在三轴摇摆转台上利用六位置试验法对加表标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法;提出了在三轴摇摆转台上利用正负对称的多组速率试验法以及最小二乘法对陀螺标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法,以及利用六位置试验对陀螺与g有关量进行标定的方法。详细介绍了组件输出参数的测量方法并推导误差计算公式。理论分析表明,该方法可在三轴转台上通过位置与速率试验一次性标定出测量元件的相关误差,具有一定的工程应用价值。