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微小型MEMS陀螺的误差特性研究
作 者: 温佰仟
导 师: 刘建业
学 校: 南京航空航天大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 微电子机械系统 陀螺 误差特性 机械热噪声 温度特性 正交误差 闭环检测
分类号: V241.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
下 载: 473次
引 用: 3次
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内容摘要
MEMS(Micro Electro Mechanical System)陀螺尺寸小、重量轻、可靠性高,在军事和民用等领域展现出广阔的应用前景。但是限于性能,MEMS陀螺主要用于中低精度导航。对MEMS陀螺进行误差特性分析、建模和补偿是提高精度的有效手段,是当前MEMS陀螺研究的热点之一。论文针对MEMS陀螺误差特性开展研究。建立MEMS陀螺仿真模型是分析其误差特性的基础。论文讨论了MEMS陀螺建模的级别,对比分析了ANSYS有限元分析软件模型、等效电路模型、VHDL-AMS模型、SIMULINK模型各自的优缺点,建立了MEMS陀螺四种仿真模型,通过仿真验证了所建模型的正确性。基于所建立的仿真模型,论文研究了机械热噪声特性、温度特性和正交误差特性。针对带限滤波器不能有效减小机械热噪声的问题,利用相关滤波理论对机械热噪声进行研究,有效减小了机械热噪声。为了分析环境温度对MEMS陀螺的影响,提出了ANSYS与SIMULINK相结合的分析方法,对一类微石英音叉陀螺进行仿真研究,验证了分析方法的有效性,应用最小二乘法和BP神经网络对陀螺温度误差进行补偿,较好地改善了MEMS陀螺零位漂移。运用平均化分析方法分析了机械弹性耦合引起的正交误差特性,推导出正交误差与陀螺结构参数的定量关系式,为研究正交误差提供了一种新的途径。为了进一步提高MEMS陀螺抑制噪声和环境干扰的能力,建立了闭环检测系统模型并与开环检测系统进行对比,结果表明闭环检测系统具有更强抑制噪声的能力,受环境温度影响较小,其整体性能要优于开环检测系统。论文通过对MEMS陀螺建模、机械热噪声特性、温度特性、正交误差特性等内容的研究,明确了MEMS陀螺误差特性的机理,为更加合理的建模和补偿奠定了基础,对于实际应用中提高MEMS陀螺的性能具有重要的指导意义。
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全文目录
摘要 4-5 ABSTRACT 5-17 第一章 绪论 17-26 1.1 MEMS 陀螺概述 17-18 1.2 MEMS 陀螺的基本理论 18-21 1.2.1 MEMS 陀螺的工作原理 18-19 1.2.2 MEMS 陀螺的分类 19-20 1.2.3 MEMS 陀螺主要性能指标 20-21 1.3 MEMS 陀螺误差特性的国内外研究现状 21-23 1.4 论文的研究背景及意义 23-24 1.5 论文主要研究内容 24-26 第二章 MEMS 陀螺仿真建模研究 26-42 2.1 引言 26 2.2 MEMS 陀螺动力学模型 26-28 2.3 MEMS 陀螺建模方法 28-31 2.3.1 建模级别分类 28-29 2.3.2 建模方法比较分析 29-31 2.4 MEMS 陀螺仿真建模 31-41 2.4.1 MEMS 陀螺有限元法建模 31-33 2.4.2 MEMS 陀螺等效电路模型 33-36 2.4.3 基于VHDL-AMS 的MEMS 陀螺建模 36-38 2.4.4 基于SIMULINK 的MEMS 陀螺建模 38-41 2.5 本章小结 41-42 第三章 MEMS 陀螺机械热噪声特性研究 42-49 3.1 引言 42 3.2 机械热噪声 42-44 3.2.1 机械热噪声建模 42-43 3.2.2 影响机械热噪声的因素分析 43-44 3.3 相关滤波分析 44-47 3.3.1 相关滤波基本理论 44-46 3.3.2 机械热噪声相关滤波研究 46-47 3.4 仿真验证 47-48 3.5 本章小结 48-49 第四章 MEMS 陀螺温度特性研究 49-59 4.1 引言 49 4.2 硅微机械陀螺温度特性研究 49-50 4.3 石英音叉陀螺温度特性研究 50-54 4.3.1 温度对弹性刚度常数的影响 51 4.3.2 温度对音叉尺寸的影响 51-52 4.3.3 温度对晶体密度的影响 52 4.3.4 石英音叉陀螺热分析 52-53 4.3.5 温度对陀螺零偏影响研究 53-54 4.4 MEMS 陀螺温度补偿 54-58 4.4.1 最小二乘法温度补偿 55-56 4.4.2 BP 神经网络温度补偿 56-58 4.5 本章小结 58-59 第五章 MEMS 陀螺正交误差特性研究 59-67 5.1 引言 59 5.2 MEMS 陀螺结构误差分析 59-61 5.2.1 不等弹性 59-60 5.2.2 阻尼不对称 60-61 5.2.3 考虑结构误差的动力学方程 61 5.3 正交误差特性研究 61-66 5.3.1 基于平均化方法的正交误差特性分析 61-64 5.3.2 输入角速度信号的提取 64-65 5.3.3 仿真分析 65-66 5.4 本章小结 66-67 第六章 MEMS 陀螺闭环检测技术研究 67-78 6.1 引言 67 6.2 MEMS 陀螺检测模型建立与仿真研究 67-72 6.2.1 开环检测建模与仿真研究 67-68 6.2.2 闭环检测建模与仿真研究 68-72 6.3 闭环检测模式下正交误差研究 72-74 6.3.1 闭环检测模式下正交误差分析 72-73 6.3.2 仿真分析 73-74 6.4 开环检测与闭环检测性能比较分析 74-77 6.4.1 零偏稳定性测试 74-75 6.4.2 标度因数测试 75-76 6.4.3 标度因数温度灵敏度测试 76-77 6.5 本章小结 77-78 第七章 总结与展望 78-80 7.1 全文主要工作总结 78-79 7.2 后续研究工作展望 79-80 参考文献 80-86 致谢 86-87 在学期间的研究成果及发表的学术论文 87
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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 陀螺仪表
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