[发明专利]一种基于噪声功率谱估计的MEMS陀螺仪在线频差识别方法

说明书

本发明公开了一种基于噪声功率谱估计的MEMS陀螺仪在线频差识别方法，根据检测模态的Q值以及预设的谐振频率，确定陀螺仪谐振子机械热噪声在检测模态输出端的功率谱理论曲线；在陀螺仪正常工作状态下对检测模态进行电压采样和傅里叶变换分析，得到输出端信号的功率谱曲线；将功率谱理论曲线与输出端信号的功率谱曲线进行互相关运算，得到互相关结果曲线，并确定互相关分析结果中两处峰值所对应的滞后量；利用所得滞后值以及已知的陀螺仪驱动模态谐振频率，确定出检测模态的谐振频率；计算得出陀螺仪工作模态的频差。本发明在不影响MEMS陀螺仪正常工作状态的前提下，从谐振子必然存在的机械热噪声中，在线实时提取出模态频率信息，实现模态频差识别。

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺技术领域，尤其是一种基于噪声功率谱估计的MEMS陀螺仪在线频差识别方法。

背景技术

近几十年来，随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展和微机械加工工艺的不断成熟，MEMS陀螺应运而生，MEMS陀螺相比于传统陀螺具有体积小、可靠性高、成本低等优点，因此被广泛应用于汽车无人驾驶、航空航天、导航制导等各个领域，具有非常广泛的应用。实际应用中，MEMS陀螺的工作模式分为模态匹配模式和模态失配模式，模态匹配状态下陀螺的机械灵敏度远大于模态失配状态下的陀螺，故模态匹配可以改善陀螺噪声水平，提高信噪比。

但是由于加工工艺的限制和制造误差的影响，工作于模态匹配模式下的MEMS陀螺仪的驱动模态和检测模态谐振频率总是存在一定程度的差异，严重恶化了谐振陀螺的机械灵敏度；此外，环境温度的变化也会导致谐振频率的变化，而驱动与检测模态频率变化的不一致亦会造成频差的不稳定。因此，为了消除模态频差的不利影响，通常需要对工作于模态匹配模式下的陀螺仪进行静电调谐补偿，使其在工作过程中实时保持模态匹配。为了更好的实现陀螺模态实时匹配，关键在于对模态的频差进行识别，现有的模态识别方法主要分为两类：一类方法为离线标定，通过测量数据进行计算拟合，此方法虽然简单可行，但实时性差、对重复性要求很高；另一类方法为传统的在线实时测量，需要对陀螺某一模态或某一通道进行扰动输入，此方法虽然实现了在线实时测量，但会影响陀螺仪的正常工作状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于噪声功率谱估计的MEMS陀螺仪在线频差识别方法，能够实现MEMS陀螺仪的在线实时模态匹配，在不影响陀螺仪正常的工作状态下实现频差识别。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于噪声功率谱估计的MEMS陀螺仪在线频差识别方法，包括如下步骤：

(1)根据检测模态的Q值以及预设的谐振频率f_y0，确定陀螺仪谐振子机械热噪声在检测模态输出端的功率谱理论曲线N(f)，以此作为比对和寻找检测模态谐振频率的基准；

(2)在陀螺仪正常工作时，哥氏力、正交力以及谐振子机械热噪声同时作用于陀螺仪检测模态，并在检测模态输出端形成电压响应；通过对检测模态输出端进行电压采样和傅里叶分析，得到输出端信号的功率谱曲线M(f)；

(3)将功率谱理论曲线N(f)与实测信号的功率谱曲线M(f)进行互相关运算，得到互相关结果曲线R(λ)，其中λ为功率谱理论曲线N(f)在做互相关运算时的滞后量；确定互相关分析结果中两处峰值所对应的λ值分别为λ₁与λ₂；

(4)由步骤(3)中所得的滞后量λ₁与λ₂，结合预设的谐振频率f₀，得陀螺仪的工作模态谐振频率f_x＝f₀+λ₁、f_y＝f₀+λ₂或f_x＝f₀+λ₂、f_y＝f₀+λ₁；陀螺仪驱动模态的谐振频率f_x通常已知，由此唯一确定检测模态的谐振频率f_y；