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基于陀螺仪的惯性位姿测量v1

更新于 2021-01-27

基于陀螺仪的惯性位姿测量

[TOC]

(一) 总体要求

根据测量任务、技术指标和应用环境等要求,查阅资料,完成以下工作:

  1. 阐述国内外现状,包括测量方法和测量仪器,分析各自的优缺点;
  2. 提出或选择一种测量方法,设计测量仪器或系统方案(结构示意图),对传感器等主要功能部件进行详细说明;
  3. 阐述测量原理(原理图),推导数学模型;
  4. 分析测量仪器或系统的分辨力和测量误差,评定目标测量不确定度。
  5. 2~3人一组选做1个题目,方案可以相同也可以不同,设计内容必须独立完成。以PPT报告和纸质设计报告(论文)形式提交,并在讨论课上“答辩”(每人15分钟以内,汇报10分钟,讨论5分钟)。

(二)具体题目要求

​ 舰船、飞机、导弹的航向角、俯仰角的位姿信息是通过陀螺仪测量的。陀螺仪是依据惯性原理工作的,与加速度计一起称为惯性器件,它们对于舰船、飞机、导弹的飞行路线、打击准确度具有决定性的意义。此处,需要分析陀螺仪工作原理,并说明位姿测量方法。

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一、引言

​ 陀螺仪从最开始的单纯的机械式陀螺仪发展到今天,已经更像是对角度传感器的统称。除了人们熟知的机械陀螺仪,还有如光纤陀螺仪,激光陀螺仪,微机电陀螺仪等等,它们的原理并不都是角动量守恒。

​ 其中,基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)——即微机电技术的惯性传感器具有便于集成、重量轻、成本低、体积小等优点,在民用、航天及军事领域有着极其广阔的应用和发展前景。伴随着MEMS 技术的快速发展,MEMS 惯性传感器各项性能指标也得到了显著提升[1]。

​ 本文以MEMS为导向,分析国内外相关技术现状,并从传统机械式陀螺仪原理开始,分析MEMS陀螺仪的测量姿态的方法,并在此基础上,选择了一种当下比较优秀的姿态测量方法,对其进行解释说明。

二、国内外现状

​ MEMS 陀螺仪可以从振动结构、材料、加工方式、驱动方式、检测方式和工作模式等几个方面进行分类[2],如 下图所示。

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​ 一般来讲,我们说的陀螺的精度,指的是陀螺的零偏稳定性,用来评价陀螺的输出围绕其均值上下的波动。如果陀螺没有输入,这个均值就是陀螺的零位。在计算陀螺的零偏稳定性的时候,通常采用的方法是采集一段数据,去除趋势项,再计算均方差,就得到了零偏稳定性,单位一般是 $°/h$ 。

(一)国外发展现状

​ 国外对于MEMS 陀螺仪的研究最早始于二十世纪八十年代,美国、日本及欧洲各国均耗巨资进行了相关技术方面的开发和研究,研究水平走在世界前列。国外从事MEMS 陀螺仪方面研究的机构包括Draper 实验室、SAGEM 公司、意法半导体等[3]。

  1. 音叉陀螺:美国BEI公司的石英音叉陀螺技术研究方面已十分成熟,零偏稳定性优于 $3°/h$ ,全温范围零位漂移优于 $20°/h$ 。如下图所示。
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  1. 轴对称陀螺
    1. MEMS 谐振环陀螺——VRG。日本硅传感系统公司SSS(Silicon Sensing Systems)一直从事MEMS 谐振环陀螺研制,最新产品零偏稳定性小于 $0.06°/h$ ,角度随机游走 $ARW<0.01°/h$,是目前MEMS谐振环陀螺的最高水平[4]
    2. MEMS 碟形陀螺——DRG。AMIR R 等设计制造了一种迄今为止报道的最小MEMS 陀螺仪——单晶硅体声波陀螺仪[5]。该陀螺具有强大的抗干扰性能和超过 $±6000°/s$ 的大动态范围,角度随机游走 $ARW<1°/h$,零偏稳定性为 $15°/h$ 。
    3. MEMS 半球谐振陀螺——HRG。2019年,美国密歇根大学根据诺格公司提出通过软件对科里奥利振动陀螺仪进行动态自校准的方法[6],研制的弧面驱动陀螺样机在陶瓷管壳封装后的品质因数达到了150 万,在常温下零偏不稳定性为 $0.0103°/h$,已接近导航级精度,是目前精度最高的微陀螺之一[7]。

(二)国内发展现状

​ 我国MEMS 陀螺仪的研究起源于二十世纪八十年代,与国外研究时间大致相当。

  1. 音叉陀螺
    1. 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所提出了一种双质量块音叉式MEMS 陀螺[8]。经测试,该陀螺零偏稳定性优于 $0.66°/h$ ,刻度系数非线性优于100ppm,零偏加速度灵敏度优于 $12.3°/(h/g)$ ,能够满足绝大部分战术武器应用需求。
    2. 南京理工大学提出了一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的MEMS 陀螺仪[9]。测量范围为 $±7200°/s$ ,零偏稳定性为 $12.2°/h$ 。
  2. 轴对称陀螺
    1. MEMS 谐振环陀螺——VRG。我国单位自主研制的MEMS谐振环陀螺通过飞行测试,发射过载8000g,历时10ms,抗过载能力优良,标志着我国MEMS 陀螺在抗高过载方面取得了突破性的进展。
    2. MEMS 碟形陀螺——DRG。国防科技大学设计并实现了一种热弹性质因子增强DRG[10],测试结果表明,f0=5766.5Hz,Q=157508,ARW=0.0009(°)/√h。
    3. MEMS 半球谐振陀螺——HRG。苏州大学WAN Q 等制作了多晶硅微半球谐振陀螺[11]。测试结果表明,在0.004Pa 的真空度下,陀螺的品质因数Q 为2200,初始频差为10Hz,零偏稳定性为80(°)/h。

(三)分析

​ 我国虽然与国外研究MEMS陀螺仪时间一致,但其研制和开发相对比较落后。经过30 多年的不懈努力,我国在MEMS 陀螺仪的理论、工艺、外围配置电路、应用等方面都取得了突破性的进展,但在产品体积方面还有待进一步缩小,性能指标方面也有待进一步提高。此外,还缺少领先于国际水平的核心技术[12]。

三、传统机械式陀螺仪工作原理

​ 传统机械式陀螺仪,是一种基于角动量守恒理论,用来感测与维持方向的装置。

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​ 陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。由于转子的角动量的存在,陀螺仪一旦开始旋转,即有抗拒方向改变的趋向。通俗地说,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。以陀螺为例,旋转的陀螺遇到外力时,它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的。

​ 陀螺仪这种抗拒方向改变的原因即为角动量守恒理论。

​ 我们以如下图陀螺为例

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​ 设该陀螺以角速度ω绕其对称轴(自旋轴)高速旋转,其转动惯量为I,角动量为 L 。试验发现,陀螺在绕对称轴旋转的同时,其对称轴还以一定的角速度绕过支点O的铅直轴(z轴)旋转,这样的运动称为进动,这种现象称为回转效应。

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​ 假设陀螺在完美的绕自旋轴高速旋转时,受到一扰动,产生垂直纸面向内的力矩,则陀螺开始倾斜,如上图所示。然而,此时z轴方向的角动量减少,y轴方向的角动量增加,x轴反方向由于重力的作用角动量也在增加。

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​ 如果陀螺就这样倒下去,将不符合角动量守恒定律。根据角动量守恒定律,陀螺将会开始以逆时针的方向绕z轴转动,从而使z轴上的角动量守恒。再从力学角度分析,由于陀螺整体绕z轴旋转时,重力一部分沿陀螺自转轴,对陀螺轴的方向没有影响,另一部分则与陀螺绕z轴旋转产生的向心力抵消。假设陀螺旋转速度很高,则重力不能抵消陀螺绕z轴旋转产生的向心力,陀螺自转轴逐渐朝向竖直方向。

​ 由此,我们可以引申出陀螺仪的重要特性定轴性进动性

(一)特性

​ 陀螺仪建立在角动量守恒的原则下,拥有如下两个特性。

1. 定轴性——rigidity in space

​ 陀螺仪该特性通俗来说即为惯性。其在外环旋转时仍能够保持原来的位置。我们已经知道,物体维持自身转动状态并对抗改变的能力称为转动惯量(类比质量),其由相对于特定旋转轴的质量分布决定,对多质点物体转动惯量 $ { I=\sum {i=1}^{N}{m{i}r_{i}^{2}}} $ 。概言之:质量越大、对轴距离越远,转动惯量越大。

​ 一方面陀螺转子的对轴对称性结构使得其具备了同质量物体较大的对轴转动惯量,意味着其在同阻力扭矩情况下能够更长时间保持原始运动状态;另一方面在轴的、小摩擦与无角自由度限制的支点使得外力无法籍此产生较大且有效的阻力扭矩;因此当陀螺转子以极高速度旋转时,其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向,这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。

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​ 在运转中的陀螺仪,如上图所示,如果外界施一力F在转子上,此力对支点的力矩当可分解为顺轴方向和垂直于轴方向两个分力矩;前者使陀螺加速、减速,但不会改变转轴方向;后者的时间积分将会逐渐改变转动方向(该力矩通常是短时较小),转子的高速旋转带来的角动量将自动平衡此微小力矩产生的角动量,从而实现平衡。

2. 进动性(逆动性、行进性) procession

​ 在运转中的陀螺仪,如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上,则旋转轴并不沿施力方向运动,而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动,此现象即是进动性。其产生原因则是转子的角动量难以抵消外力矩产生的角动量。

​ 进动性的大小有三个影响的因素:

  1. 外界作用力愈大,其进动角速度也愈大;

  2. 转子的转动惯量愈大,进动角速度愈小;

  3. 转子的角速度愈大,进动角速度愈小。

​ 当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴,陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性,叫做陀螺仪的进动性。

(二)陀螺仪的结构

空间陀螺仪(三自由度陀螺仪)的基本部件包括

  1. 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转,并见其转速近似为常值)。

  2. 内、外框架(或称内、外环,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)。

  3. 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

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​ 如图所示定轴陀螺仪的设计,使得转子所在轴一般不会产生较大的使其方向改变的力矩,表现出定轴性。

​ 然而上述机械式陀螺仪,虽然随着时间的发展,精度和体积等各方面都有所提升,并且演化出了滚珠轴承陀螺仪、液浮陀螺仪以及静电陀螺仪,其中静电陀螺仪几乎没有摩擦阻力,在核潜艇和远程飞机上都得到了广泛的应用;但是相比MEMS陀螺仪,仍显得造价高,不易集成。

四、MEMS陀螺仪工作方法——陀螺仪姿态测量的方法

​ MEMS陀螺仪是基于科里奥利力,将角速度的测量转化为位移测量。

(—)科里奥利力

​ 科里奥利力(英语:Coriolis Force;简称科氏力)是一种惯性力,是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

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​ 如下图所示,我们将一质量块从A划至B,则当圆台没有旋转时候,我们可以精确的到达B点,但如果圆台以某一角速度 $\omega$ 进行旋转,则小球在A点时,就多了一个切向的速度。此时用相同的力让小球从A至B,由于A点和B点切向速度不同,小球将达到 B' 点。

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​ 我们以圆台为参考系,则小球等效于受一力的作用,使得偏离原来的轨迹。我们用科里奥利力来描述它。

圆台角速度与质量块切向位移的关系

​ 我们以圆台为参考系,设球从A 到 B' 的时间为 $$ \Delta t ^ { \prime } = ( O A - O B ) / V^{ \prime } $$ 其中 O A B三点此时位于同一条直线上,$V^{ \prime }$ 为小球径向(平均)速度。

​ 则在 $\Delta t ^ { \prime }$ 时间内,球偏离AB的距离 $$ \left. \begin{array}{l}{ BB ^ { \prime } = ( V _ { A } - V _ { B } ) \Delta t ^ { \prime } }{ = \omega ( OA - OB ) \Delta t ^ { \prime } }{ = \omega V ^ { \prime } {\Delta t ^ { \prime }}^2 }\end{array} \right. $$ ​ 在 $\Delta t ^ { \prime }$ 很小的情况下,可以认为沿 $BB ^ { \prime } $ 的运动是匀加速运动而初速度为0,则有 $$ BB ^ { \prime } = \frac {1} {2} a^ { \prime } {\Delta t ^ { \prime }}^2 $$ ​ 将上两式对比可得加速度与 $\omega$ 的关系 $$ a ^ { \prime } = 2 \omega V ^ { \prime } $$ ​ 由此,我们可以通过测量 $BB ^ { \prime } $ 或者 $a ^ { \prime }$ 来计算得出圆台转速 $\omega$ 的大小

(二)使用科里奥利力测量圆台角速度

​ 假如我们让一质量块置于周期振荡的电场中,使其作周期往复运动,在其正交平面内旋转物体,也会在与物体周期运动的垂直方向上产生科里奥利力。

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​ 当器件一上电,就让该质量块作周期运动,并且,该质量块的周期和位移均为已知。该周期和位移可以根据量程、准确度等需求进行设计。当其正交平面内物体发生旋转时,产生科里奥利力,我们根据其在科里奥利力方向上产生的位移可以计算出该方向上的加速度,从而计算出旋转体的角速度。

​ 下图为ADI公司MEMS陀螺仪结构框图

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​ 其中,谐振器左右做周期运动,当平台旋转时,产生纵向的科里奥利力。我们通过电容等测量方法,测量谐振器纵向加速度或最大位移,即可得出平台旋转的角速度。

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(三)问题

​ 如上似乎是可以比较好的测量出了角速度,在陀螺仪中,我们通过积分即可得到物体的姿态。然而,我们使用单质量块MEMS陀螺仪还存在一些问题。

​ 那就是我们如何区分振动和旋转?

​ 单质量块陀螺仪不能区分旋转(待测量)和与内部谐振器相同频率的振动。在一些冲击事件中,其振动噪声的时域输出为冲激信号,对应的频谱成分无限丰富。

解决方案

​ 正如我们在测控电路中对待噪音一样,最好的办法就是差分。

​ 我们可以使用多个质量块来进行差分,振动对于整体而言给每一个单元带来的影响都是一样的,而在内部,将多质量块中心对称分布在旋转体上,可以进行共模抑制,差模输出。

​ 下图即为ADI公司双核陀螺仪设计

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(四)总结

​ 除了双核陀螺仪之外,还有很多四核,八核,十核陀螺仪,更好的保证了测量准确性。

五、MEMS双核陀螺仪

(一)双核陀螺仪

​ 如下图所示为陀螺仪部分结构:它由待测角速度的圆盘,两个测量单元组成。其中每个测量单元由振荡质量块,电容极板(根据电压值使质量块产生左右振荡的往复运动),六个电容传感器组成(两个固定电极板加上一个位置变化的极板)。

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​ 其中,为实现更好的共模抑制,左右两个测量单元轴对称分布,并且尽可能保证各个参数一致。

​ 根据上述原理推导可知,在圆盘不产生转动情况下,质量块根据我们设计的振荡周期 $T$ 和振荡位移 $x$ 进行水平方向的往复运动。

​ 我们以左质量块为例,当圆盘发生转动时,质量块由于惯性等效于受一科里奥利力。根据上述对科里奥利力原理的推导可知质量块单程纵向位移与圆盘转速的关系为: $$ BB ^ { \prime } = \omega \frac {2x}{T} (\frac{T}{4})^2 = \frac {\omega x T} {8} $$ ​ 根据机械关系我们可知,质量块单程最大位移线性对应电容可变极板的最大位移。为方便计算,此处我们取正比例关系。即 $BB ^ { \prime }$ 即为电容极板的最大位移。

(二)电容传感器

​ 电容传感器处,我们分析如下电容值与中央动极板的位移关系

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​ 假设初始位置时,各自距离如图中标注所示,此时两极板位移相等,均为 $\delta _ { 0 } $ ,同时,两极板电容相等。动极板运动后,向上运动 $\Delta \delta$ 的位移

​ 因为已知电容极板间的距离与电容值的关系如下: $$ C = f ( \delta ) = \frac { \varepsilon A } { \delta } $$ ​ 其中,$\varepsilon$ 为介电常数,$A$ 为电容极板的面积, $\delta$ 为两极板间的距离。

​ 由此,我们可知容抗与极板距离的关系 $$ X c = \frac { 1 } { \omega C } = \frac { 1 } { \omega } \frac { \delta } { \varepsilon A } $$ ​ 由此,当动极板上移后 $$ \delta _ { 1 } = \delta _ { 0 } - \Delta \delta $$

$$ \delta _ { 2 } = \delta _ { 0 } + \Delta \delta $$

​ 容抗变化量为 $$ \frac {\Delta X c1} {X c1} = -\frac { 1 } { \omega } \frac { \Delta\delta } { \varepsilon A } $$

$$ \frac {\Delta X c2} {X c2} = \frac { 1 } { \omega } \frac { \Delta\delta } { \varepsilon A } $$

(三)转换电路

​ 为将电容变化量转化为电压信号,设计如下转换电路[13]:

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​ 在此电路中,$C_1 C_2 R_1 R_2$ 构成电桥,其驱动源为正弦信号发生器。当动极板发生变化,差动放大器捕捉到电容量的变化,经模拟放大输出得到高频调制信号,再经线性检波输出电压值。

1. 交流电桥电路

​ 令 $Z_1 = c_1, Z_2=C_2, Z_3=R_1, Z_4=R_2$,根据电路知识有

$$ U = U _ { A B } - U _ { A D } = \frac { Z _ { 1 } } { Z _ { 1 } + Z _ { 2 } } E - \frac { Z _ { 3 } } { Z _ { 3 } + Z _ { 4 } } E = \frac { Z _ { 1 } Z _ { 4 } - Z _ { 2 } Z _ { 3 } } { ( Z _ { 1 } + Z _ { 2 } ) ( Z _ { 3 } + Z _ { 4 } ) } E $$

​ 为方便计算,假设初始条件 $Z _ { 1 } Z _ { 4 } = Z _ { 2 } Z _ { 3 }$ ,则此时电桥的输出为0,即 $U=0$,此时电桥处于平衡状态。当各桥臂电阻分别变化 $\Delta Z _ { 1 } , \Delta Z _ { 2 } , \Delta Z _ { 3 } , \Delta Z _ { 4 }$ 时,电桥的平衡被破坏,其输出变为 $U'$ 。

​ 根据电路知识: $$ \left. \begin{array}{l}{ U ^ { \prime } = \frac { ( Z _ { 1 } + \Delta Z _ { 1 } ) ( Z _ { 4 } + \Delta Z _ { 4 } ) - ( Z _ { 2 } + \Delta Z _ { 2 } ) ( Z _ { 3 } + \Delta Z _ { 3 } ) } { ( Z _ { 1 } + Z _ { 2 } + \Delta Z _ { 1 } + \Delta Z _ { 2 } ) ( Z _ { 3 } + Z _ { 4 } + \Delta Z _ { 3 } + \Delta Z _ { 4 } ) } E }\{ \approx \frac { Z ( \Delta Z _ { 1 } + \Delta Z _ { 4 } - \Delta Z _ { 2 } - \Delta Z _ { 3 } ) } { 4 Z ^ { 2 } + 2 Z ( \Delta Z _ { 1 } + \Delta Z _ { 2 } + \Delta Z _ { 3 } + \Delta Z _ { 4 } ) ( Z _ { 3 } + Z _ { 4 } ) } E }\{ \approx \frac { E } { 4 } ( \frac { \Delta Z _ { 1 } } { Z _ { 1 } } - \frac { \Delta Z _ { 2 } } { Z _ { 2 } } - \frac { \Delta Z _ { 3 } } { Z _ { 3 } } + \frac { \Delta Z _ { 4 } } { Z _ { 4 } } ) }\end{array} \right. $$ ​ 在滑动变阻器保持不动的情况下 $$ U ^ { \prime } = \frac { E } { 4 } ( \frac { \Delta Z _ { 1 } } { Z _ { 1 } } - \frac { \Delta Z _ { 2 } } { Z _ { 2 } } ) $$ ​ 根据上述对于电容容抗变化的讨论,有 $$ U ^ { \prime } = -\frac { 1 } { \omega } \frac { \Delta\delta } { \varepsilon A } \frac {E}{2} $$ ​ 由此,我们在输入已知交变电流的情况下,经过信号放大器便可得到包含电容极板变化的信号幅值。

2. 正弦信号发生器

​ 交变电桥需要信号发生器如下

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​ 上述电路中,运算放大器 $U_1$ 输出正弦信号 $Asin(\omega t)$ ,再经过 $U_2$ 可以输出余弦信号 $Acos(\omega t)$ ,根据电路参数有 $$ \omega = k _ { 4 } / ( R _ { 1 } R _ { 4 } C _ { 1 } C _ { 2 } ) ^ { 0.5 } $$ ​ 通过调节 $R_4$ 可以调节输出频率, 在实际运用中应根据电路中电容电阻值以及待测物体角频率的可能值确定输出频率,此处我们选择输出频率为 2 kHz 以上。

3. 差动放大电路

​ 由于电容电桥的输出电阻比较大, 存在着阻抗不平衡的问题,故我们采用有高共模抑制比的放大电路——仪用放大电路

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​ 根据运算放大器的基本知识,我们可以知道该仪用放大电路的差模增益为 $$ G _ { D } = \frac { R _ { 4 } } { R _ { 3 } } ( 1 + \frac { 2 R _ { 2 } } { R _ { G } } ) $$ ​ 我们可以通过调节 $ R _ { G }$ 的大小来调节电路增益。

​ 至此,我们就得到了高频调制的包含振动块位移的信息的信号 $$ U ^ { \prime } = -G_D \frac { 1 } { \omega } \frac { \Delta\delta } { \varepsilon A } \frac {Acos(\omega t)}{2} $$

4. 线性检波

​ 选用如下精密型线性检波电路

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​ 其中 $$ R _ { 1 } = R _ { 2 } = R _ { 3 } = R _ { 4 } / 2 = 10 k \Omega $$ ​ 经过计算可以得出输出与输入之间的关系如下: $$ V_{out} = \frac {R_5} {R_4} |V_{in}| $$ ​ 令 $$ R_5 = \frac { \pi } { 2 \sqrt { 2 } } R _ { 4 } \approx 1.11 R _ { 4 } $$ ​ 则有 $$ V _ { \text {in(RMS} ) } = V _ { \text {out} ( D C ) } $$

5. 结论

综上所述,我们可以单个测量单元的电压输出值与圆盘角速度的关系如下: $$ V_{out} = -G_{D1} \frac { 1 } { k _ { 4 } / ( R _ { 1 } R _ { 4 } C _ { 1 } C _ { 2 } ) ^ { 0.5 } } \frac {\omega x T } { \varepsilon A } \frac {A}{16} $$ 其中,$k_4$ 是一个与正弦信号发生器有关的比例系数

(四)双核陀螺仪的差分输入

​ 在先考虑每一个测量单元仅仅有一个电容传感器来测量距离时,为了消除振动或加工误差带来的共模输入,将两部分测量单元经仪用放大器放大差模信号后输出。

​ 电路与上述差分放大电路一致

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(五)结论

最终,我们即可如下计算出圆台的角速度 $$ V_{out} = -G_{D1}G_{D2} \frac { 1 } { k _ { 4 } / ( R _ { 1 } R _ { 4 } C _ { 1 } C _ { 2 } ) ^ { 0.5 } } \frac {\omega x T } { \varepsilon A } \frac {A}{8} $$ 为方便描述,不妨假设 $$ V_{out} = k \omega $$ 其中,$k$ 由上述系统所决定的参数。

六、总结

​ 为测量物体位姿姿态,我们需要求出物体总运动角度。即使用积分器积分即可从角速度得到角度。

​ 在获取空间姿态中,只需要同样的三个维度即可获得物体三个旋转方向的自由度。

​ 然而,该种测量方法其准确性主要取决于惯性器件的精度,单从改善硬件结构设计和工艺方面很难有大幅度的提高,并且系统误差会随时间积累,不适用于长时间载体姿态的确定。因此,需要使用多传感器柔和的方式提高准确性。同时,单一的MEMS陀螺仪仍然难以承担测量姿态的重任,故建议结合加速度计一同使用[14]。

​ 在本次设计中,采用了双核12个电容传感器进行融合,融合的方法包括加权平均法、神经网络方法等等,此处不再赘述。

系统评定

​ 在原理设计层面,本系统唯一的误差在于电桥电路处的几次近似,为减小该误差带来的影响,应当使电极板的位移远小于两固定极板的位移。可以采用加快质量块振荡频率的方式来减小电极板的位移,但质量块振荡频率作为待调制信号的频率亦不应过大,应当与正选信号发生器产生的频率保持几个数量级的距离。

​ 由于使用了两级放大电路,并且增益可控,故在不考虑硬件的情况下,系统分辨率会达到较高水平。

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