[发明专利]一种低成本组合型陀螺仪

说明书

技术领域

本申请涉及一种低成本组合型MEMS陀螺仪，属于惯性技术领域的精密仪器，可广泛应用于运载体惯性导航、组合导航以及惯性稳定控制、惯性测量等领域。

背景技术

陀螺仪是一种在惯性空间内的角速度传感器，是测量运载体角速度、姿态、位置并实现运载体自动驾驶的关键器件之一。陀螺仪广泛应用于飞机、导弹、舰船、装甲车等的导航系统及自动驾驶系统，随着陀螺仪的不断小型化及低成本化，目前也已经广泛应用于汽车电子、机器人、管线测量、动漫、物联网等领域。

根据工作原理不同，陀螺仪可分为液浮陀螺、气浮陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、MEMS陀螺等不同种类，每一种类的陀螺均有不同的特点：如MEMS陀螺具有体积小、重量轻、成本低等优点，但其输出精度较低，目前主要应用于消费电子领域，很少能满足惯性导航及高精度稳定控制的要求；激光陀螺和光纤陀螺输出精度较高，但成本较高，一个陀螺的价格往往需要几万人民币甚至几十万人民币，主要应用于军用飞机及导弹的导航领域，在民用市场大面积推广使用存在较大的难度。

随着微电子工艺技术的不断深入及发展，芯片级MEMS陀螺得到了广泛的发展，这些微型MEMS陀螺具有重量轻、体积小、成本低、可靠性高、抗振动冲击力强等一系列优点，但国内可批量生产的MEMS陀螺的精度很难突破30°/h，大部分陀螺的输出精度在50°/h-100°/h之间，因此，在许多对精度要求相对较高的领域很难得到应用，如无人机导航及飞控系统、炸弹及导弹制导系统、高精度稳定跟踪控制系统等。这些系统往往需要选用高精度的光纤陀螺或激光陀螺，但成本大大提高。目前，国内外均已投入了大量的研发力量进行高精度MEMS陀螺的研发，但高精度MEMS陀螺的研发是一个较为复杂的系统，很难在短时间内取得巨大突破，且需要投入极大的人力及物力。

因此，从单个器件角度出发，很难在短时间内解决陀螺仪高精度和低成本的矛盾。通过将多种低成本的MEMS陀螺进行组合，通过数据融合算法来研制一种组合型MEMS陀螺是解决陀螺仪低成本与高精度矛盾的重要手段。

发明内容

为了解决陀螺仪输出精度和成本之间的矛盾，本申请提出一种组合型陀螺仪。

目前市场上有几十种甚至几百种MEMS陀螺仪，80％以上的MEMS陀螺均已发展至芯片级，且市场价格已低至几百元甚至几十元人民币，但这些MEMS陀螺的输出精度往往较低，一般均为50°/h-100°/h左右，而10°/h左右的MEMS陀螺价格往往需要几万元。因此，单纯地提高单一器件的精度很难实现低成本的发展目标。

MEMS陀螺由于其设计原理、内部结构、加工工艺等方面的差异，不同种类陀螺具有不同的误差特性。一般情况下，衡量一个陀螺仪精度的指标有一次上电零偏稳定性、零偏重复性、刻度系数重复性、刻度系数非线性、零偏温度敏感漂移、刻度系数温度敏感漂移、加速度敏感漂移等，其中零偏重复性、刻度系数重复性、零偏温度敏感漂移是低成本MEMS陀螺的最为主要的3种误差，约占陀螺总误差的80％以上。

作为一个高性能的陀螺，要求以上每一个指标都达到一个较好的性能，当然陀螺的成本也将非常昂贵。但如果考核单一的误差指标，则各个低成本的MEMS陀螺均有各自的优势和特点。如，A类陀螺的零偏重复性较好，这项误差基本上可以忽略，但其他误差较大；B类陀螺的零偏温度敏感漂移较小，这项误差基本上可以忽略，但其他误差较大；C类陀螺的刻度系数较好，这项误差基本上可以忽略，但其他误差较大。

本申请提出的组合型陀螺仪便是将这些具有不同误差模型的低成本、低精度MEMS陀螺仪组合起来，通过陀螺数据单元采集每个陀螺仪的输出数据并对陀螺的输出数据进行预处理，再根据每种陀螺仪的误差特性建立每一种陀螺仪的输出模型方程，把各个陀螺仪的输出模型方程进行融合，再结合最小二乘算法，便可以估计出每一种陀螺仪的输出误差系数，根据估计得到的误差系数对陀螺的输出误差进行补偿，便可以将陀螺仪的输出精度较原始输出提高1个量级左右。