论文总字数：24875字

摘 要

MEMS陀螺仪因为其重量轻、便于集成、所占空间小、成本较传统陀螺仪低等诸多优势，正由于这些特性使得MEMS陀螺仪在航空航天、机器人、智能手机及军事等领域得到了普及。但是，MEMS陀螺仪精度较低的缺点，MEMS陀螺仪的发展和应用受到了极大的影响和制约。所以，对随机漂移误差进行修正，提高MEMS陀螺仪的精度成为了全球科研界研究的热点。随机漂移误差的存在是影响陀螺仪精度的主要原因，因此，本文对常见MEMS陀螺仪的车载应用场景展开研究，分析了MEMS陀螺仪特性所产生的随机误差项所建立的各种数学模型的优缺点，并进行多尺度集成滤波技术的研究，从而确定最终的信号去噪方法。

首先，对MEMS陀螺仪特性所导致的随机漂移误差所采取的各种建模方式和主流的去噪技术进行对比分析与研究，此外，研究了哪些原因可能会导致 MEMS 陀螺仪随机漂移误差的产生，并提出误差的组成项。根据车辆典型运动工况，利用幅频分析技术研究MEMS陀螺仪输出信号特征，进而提取有用信号的频谱范围；再融合小波包分析和前线线性预测技术，提出新的集成滤波方法，编写MATLAB程序代码，并且进行编译、调试、优化，验证代码可行性和正确性。最后在科学理论的基础上，采用正确可行的方法，设计并制定实验方案，对实车进行试验并将结果进行分析，验证多尺度集成滤波算法的科学性和实用性。

关键词： 微机械系统；陀螺仪；随机漂移；小波包变换；前向线性预测滤波

Abstract

MEMS gyroscopes have many advantages such as light weight, easy system integration, small size, and low cost compared with traditional gyroscopes. It is because of these characteristics that MEMS gyroscopes have gained popularity in aerospace, robotics, smartphones, and military fields. However, the shortcomings of MEMS gyroscopes are lower in accuracy, and the development and application of MEMS gyroscopes have been greatly affected and restricted. Therefore, correcting random drift errors and improving the accuracy of MEMS gyroscopes has become a hotspot in the global scientific research community. The main reason that affects the accuracy of the gyroscope is the existence of random drift errors. Therefore, this paper studies the common vehicle-mounted application scenarios of MEMS gyroscopes and analyzes various modeling methods adopted by random drift errors caused by the characteristics of MEMS gyroscope The advantages and disadvantages, and research on multi-scale integrated filtering technology to determine the final signal denoising method.

First, comparative analysis and research on various modeling methods adopted by the random drift error caused by the characteristics of the MEMS gyro and the mainstream filtering technology, in addition, studied what may cause the random drift error of the MEMS gyro And put forward the components of the error. According to the typical motion conditions of the vehicle, the amplitude-frequency analysis technology is used to study the output signal characteristics of the MEMS gyroscope, and then the spectrum range of the useful signal is extracted; then the wavelet packet analysis and the front-line linear prediction technology are combined, a new integrated filtering method is proposed, and the MATLAB code , And compile, debug, and optimize to verify the feasibility and correctness of the code. Finally, on the basis of scientific principles, appropriate methods are used to design and formulate experimental plans, test the actual vehicles and compare the results to verify the effectiveness and feasibility of the multi-scale integrated filtering algorithm.

Key Words: Micro-Electro-Mechanical System,gyroscoperandom drift,Wavelet packet transform,Forward linear predictive filtering

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 课题的研究背景与意义 1

1.2. MEMS 陀螺仪的国内外研究现状及发展 2

1.2.1. MEMS 陀螺仪的国内外研究现状 2

1.2.2. MEMS 陀螺的应用及发展趋势 4

1.3. MEMS 陀螺仪随机误差修正技术的国内外发展现状 4

1.3.1. 随机误差的建模方法 4

1.3.2. 随机误差的滤波技术 5

1.4. 本文研究思路 7

1.5. 本章小结 7

第二章 MEMS 陀螺仪基本特性及误差分析 8

2.1. MEMS陀螺仪概述 8

2.1.1. MEMS 陀螺仪特性与分类 8

2.1.2. MEMS 陀螺仪基本工作原理 8

2.1.3. MEMS陀螺仪主要性能指标 9

2.2. MEMS 陀螺仪误差分析 10

2.2.1. MEMS 陀螺仪误差产生原因分析 10

2.2.2. MEMS 陀螺仪误差项组成 11

2.3. 基于频谱分析技术的MEMS陀螺仪误差特性分析 12

2.4. 本章小结 14

第三章 MEMS 陀螺仪多尺度集成滤波方法设计 15

3.1. 小波包变换去噪 15

3.1.1. 小波包变换原理 15

3.1.2. 小波包变换参数的选择及去噪算法 17

3.2. 前向线性预测滤波算法（FLP）去噪 18

3.2.1. 前向线性预测滤波算法原理 18

3.2.2. 前向线性预测滤波算法滤波方法及过程 19

3.3. WPT-FLP 算法去噪 20

3.4. 本章小结 21

第四章 试车实验及结果分析 22

4.1. 实验条件设置 22

4.2. 实验结果分析（包含三种方式结果比较分析） 22

4.3. 小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1. 工作总结 25

5.2. 展望 25

参考文献 27

致谢 30

绪论

课题的研究背景与意义

近年来，电子集成技术、机械加工技术、微型器件发展迅速，促使微机电系统,即MEMS惯性技术也发展迅猛，得到了汽车、电子消费、生物工程、导弹研制、环境监控等诸多领域的广泛应用，属于惯性领域一个非常重要的分支[^1]。随着MEMS惯性技术的深入发展，与之对应，惯性传感器日益成为惯性技术中不可缺少的组成部分。由于精度的不同，可将MEMS惯性传感器分为高、中、低三个级别，其中高精度的MEMS传感器一般多运用于军事领域和宇航领域中，中精度MEMS传感器在工业生产和汽车行业中应用较为广泛，而低精度MEMS惯性传感器在电子消费产品中应用最广泛^[2]。

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