调谐输出式硅MEMS陀螺确定性误差机理、建模及标定补偿方法研究

硅MEMS陀螺是一种低成本、微小型角速度传感器，是微小型惯性测量系统的核心器件，本项目针对硅MEMS陀螺精度低、环境适应性差问题，提出一种调谐输出式硅MEMS陀螺确定性误差机理、建模及标定补偿方法，以调谐输出式硅MEMS陀螺为对象，采用理论结合试验分析的方法，研究包括加速度二次项以及耦合高次项的陀螺静态误差模型，设计高精度的静态误差标定和补偿方法，解决加速运动下陀螺测量精度问题；研究陀螺角加速度、角速度交叉耦合以及线角运动耦合动态误差机理，建立高次、高阶动态误差模型，设计高精度动态误差标定和补偿方法，解决动态环境下陀螺确定性误差问题；研究陀螺温度梯度误差机理以及加速度与温度耦合误差机理，提出硅MEMS陀螺精确的组合温度误差模型，通过误差补偿提高器件温度环境适应性；探索研究硅MEMS陀螺电磁误差机理并提出抑制和补偿方法。最后进行综合环境验证试验研究，验证上述方法的有效性和可行性。

硅MEMS陀螺是一种在单晶硅芯片上利用微机电技术制造的低成本、微小型角速度传感器，是微小型惯性导航、制导与控制系统的核心器件。硅MEMS陀螺由于自身工作原理、结构特点及制造水平所限，存在一系列固有误差源，在外部环境激励下将产生各种确定性测量误差，导致测量精度低、环境适应性能差，成为微小型惯性技术迫切需要解决的关键问题和研究热点。该项目针对以上难题开展了硅MEMS陀螺确定性误差机理、建模及标定补偿方法研究，完成的研究内容及取得成果如下：.1. 双质量块新型调谐输出式硅MEMS陀螺.针对单质量块调谐输出式硅MEMS陀螺无法消除共模加速度误差的不足，依据杠杆差分原理，提出了一种可消除共模加速度误差的双质量块新型调谐输出式硅MEMS陀螺，采用双质量块拓扑结构分离了干扰加速度引起的惯性力和哥氏力之间的耦合，消除了外界共模加速度误差。分析了其工作机理，设计并研制了该陀螺表头结构芯片，实验验证了理论分析的正确性。.2. 硅MEMS陀螺高精度静、动态以及温度误差建模及标定补偿.针对硅MEMS陀螺精度低的问题，采用理论结合实验分析方法，提出了一种包括耦合高次项的硅MEMS陀螺静态误差模型，设计了十位置静态误差标定方法，减小了硅MEMS陀螺静态误差；研究了线角运动耦合动态误差机理，建立高次、高阶动态误差模型，提出了硅MEMS陀螺标度因数分段线性插值补偿方法，提高了动态测量精度；分析了硅MEMS陀螺的加速度与温度耦合误差机理，提出精确的组合温度误差模型，通过误差补偿提高温度环境适应性。综合环境验证实验表明：提出的误差模型及标定补偿方法有效地提高了硅MEMS陀螺环境适应性和精度。.3、MIMU高精度误差标定补偿.针对传统静态多位置和动态速率标定的不足，提出了一种基于无需指北单轴速率转台的MIMU六位置正反速率高精度误差标定方法，可精确标定出MIMU误差模型中的33个误差系数。采用该标定方法，自主研制的MIMU精度提高近一个数量级，并应用于微小型无人机自主导航飞行任务。同时该方法已扩展应用于高精度惯性/GNSS组合位置姿态测量系统（POS），显著提高了系统环境适应性和精度。.相关研究成果发表论文共19篇，其中SCI/SCIE论文9篇，EI论文10篇，申请/授权国家发明专利4项，出版专/编著2本。三位分别到新加坡作访问学者，培养博士4名。