MEMS陀螺零偏温度补偿技术研究

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Research on the Bias Temperature CompensationTechnology for M EM S GyroWang Chengbin Guan Bin Wu MengAbstract A model for bias temperature compensation was established through experimental analysis to solveproblems of MEMS gyro，such as easily afected by temperature change，obvious output eror in angular velocity meas-urement and longer start-up time.The multiple linear technology and least square method were employed to identifyparameters and find the solution.A comparison test of the performance before and after bias temperature compensationshowed that the measurement accuracy of MEMS gyro after compensation was improved and the start-up time to reachstability was shortened。

Key words temperature compensation；MEMS Gyro；multiple linear regression；least square estimationl 刖 舌MEMS陀螺低成本、小型化等优点，使其应用前景不断扩大，在小型无人机、机器人、微惯导等系统中的作用 日益增大。但是 由于 MEMS陀螺使用对温度较为敏感，最显著的体现是其零偏会随温度产生剧烈变化，严重影响测量精度，其产生的误差会占系统总误差的80%左右 。同时，从MEMS陀螺加电启动到器件工作温度稳定需要较长的系统预热时间，这对于-些需要快速启动使用的系统是-个致命的缺陷。因此，对 MEMS陀螺的使用进行零偏温度补偿具有 十分重要的意义。

2 零偏温度误差分析温度变化对 MEMS陀螺精度的影响主要反映在两个方面 3 J：-是陀螺器件材料性能对温① 地理信息工程国家重点实验室工程师度的敏感性，二是周围温度场对陀螺工作状态的影响。本文依据项 目工程应用，着重考虑 MEMS陀螺在常温环境下使用所受到的温度影响。主要体现为 MEMS陀螺在开始工作后，器件温度升高，直至器件工作温度稳定，在这期间陀螺因自身材料受温度变化的影响，导致输出零偏发生剧烈变化，从而降低使用精度。

本文采用 ADIS16405微惯性测量单元中的MEMS陀螺作为实验对象。在器件水平放置静止的情况下，其 X轴陀螺输出如图 1所示，同时利用器件本身内部包含的温度传感器，记录x轴陀螺开机后工作过程中器件的温度变化数据，如图2所示。

如果仅从图 1中很难看出陀螺在静止状态下零偏随温度的漂移情况，可将该数据去掉均值，进行数值积分，得到如图 3所示的角度测量信息。

由于 MEMS陀螺的测量精度较低，可以忽略地球第3期 王成宾、管 斌、乌 萌：MEMS陀螺零偏温度补偿技术研究 19自转角速度对其的影响，在静止状态下，其测量角度输出理想情况应该趋于恒定保持不变，而实际测量输出却完全相反，在 16分钟内测量输出角度漂移近 100。。

委 n50 1000 2000 300o 彻 5000 6000 7000 8000 9000采样时 s图 1 X轴陀螺输出原始数据图2 X轴陀螺工作温度采样对问图3 X轴陀螺测量转动角度输出为保证温度补偿模型建立的准确性，利用小波消噪技术对陀螺的原始输出信号进行消噪预处理，降低随机噪声的干扰。文中采用 db4小波将数据分解 6层并重构。在重构过程中对于噪声消除阈值的选取，利用多项式拟合的方法 J，降低有用数据幅度失真，增强信号信噪比，处理后的数据如图4所示。

-蠹 乙 .22- 图4 小波消噪后的 X轴陀螺输出通过对比图2和图 4可以清楚看到，陀螺在开机工作后，随自身温度升高，其输出具有明显的漂移，在温度稳定于 38%后，其零偏也趋于稳定。

通过反复试验，统计分析，从陀螺开机工作到其零偏稳定，所需的预热时间-般在 50分钟左右，而且陀螺零偏的漂移程度和器件温度变化率有很大关系。

3 温度补偿模型建立对 MEMS陀螺零偏进行温度补偿，若从使用器件机理构成分析来构建补偿模型，工程应用较为困难，且不同种类器件其构成实现也有很大区别。因此本文尝试通过分析大量实验数据寻找规律特点，来完成模型的建立。通过实验分析，针对MEMS陀螺在室温条件下开机到工作状态稳定这个过程中输出零偏的变化规律，建立如下的温度补偿模型：YL )g(At，AT) 0 (1)其中： 为 MEMS陀螺开机初始零偏 )为和温度相关的零偏漂移量；g(At，△ )为受温度增量和时间增量因素影响的零偏漂移量； 。为噪声项，满足 N(0， )。