摘 要

由于微机械陀螺仪出厂精度低，使用前需要仔细标定。传统的高精度陀螺仪，已经有商业化的自动标定设备可用，但价格却十分昂贵。由此有必要针对微机械的陀螺仪，专门设计简易的自动标定装置。

论文主要对陀螺仪的概念、工作原理以及分类进行了简单介绍，阐述了陀螺仪的校准算法，讨论了微机械陀螺仪的标定方案，对校准系统的框架进行了简单描述，并基于陀螺仪三个旋转轴相互耦合的问题上，通过对校准系统中电机扭转力矩的计算，选择合适的电机，通过精确控制三个轴的电机旋转，为待标定的陀螺仪提供一个已知的、恒速的三维旋转，来设计标定台。

研究结果表明：通过对校准系统中电机扭转力矩的计算，选择合理的电机选型，精确控制三个轴的电机旋转，可以为待标定的陀螺仪提供一个已知的、恒速的三维旋转。

关键词：陀螺仪；微机械；电机选型；旋转

Abstract

As the micro-mechanical gyroscope factory low precision, need to carefully calibrated before use. Traditional high-precision gyroscopes have been commercially available for automatic calibration equipment, but the price is very expensive. It is necessary for the micro-mechanical gyroscope, specially designed for easy automatic calibration device.

In this paper, the concept, working principle and classification of the gyroscope are briefly introduced. The calibration algorithm of the gyroscope is described. The calibration scheme of the micromachined gyroscope is discussed. The framework of the calibration system is briefly described. Based on the gyroscope three The rotation of the rotating shaft in the calibration system, by selecting the appropriate motor, by precisely controlling the rotation of the three axes of the motor, providing a known, constant speed for the gyroscope to be calibrated Three-dimensional rotation, to design calibration table.

The results show that the motor rotation of the three axes can be controlled by reasonable motor selection, and a known, constant speed three-dimensional rotation can be provided for the gyroscope to be calibrated.

Key Words： gyroscope； micromachine； motor selection；Rotate

目 录

第1章 绪 论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 2

第2章 陀螺仪的介绍 4

2.1 陀螺仪 4

2.2陀螺仪的分类 6

2.3微机械陀螺仪 7

2.4 微机械陀螺仪的分类 9

2.5微机械陀螺仪的应用 9

2.6 Tait-Bryan角度 12

第3章 陀螺仪的校准 13

3.1 校准概念 13

3.2传感器误差模型 13

3.3 校准算法 15

3.4 轮调时间表 17

第4章 校准系统方案设计 18

4.1校准系统方案设计 18

4.2机械平台设计 19

第5章 校准系统中电机的选型 21

5.1电机 21

5.2电机的选择原则 21

5.3 校准系统中电机的选型 22

5.3.1内层电机选型 22

5.3.2中层电机选型 23

5.3.3外层电机选型 24

第6章 总结 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

陀螺仪是一种角运动测量的惯性仪器，因为陀螺无论在什么样的环境下都能够保持自己的方向也就是具有自主导航这一能力，所以在陀螺仪被发明创造出来后，就被人们一直密切地关注着，同时陀螺仪也在航海、航空、航天、军事等领域发挥着十分重要的作用。而且一直是各国重点发展的技术之一。而随着科学技术的快速发展，陀螺仪被越来越广泛的应用着，与陀螺有关的技术也越来越重要，一直是各个国家重点发展的技术之一，也仍然是人们关注的焦点之一。传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪是基于微机械加工技术产生的高技术产品，而微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，随着微机械加工技术的迅速发展，微机械陀螺仪开始走进人们的视眼中，也是当代微机械电子系统领域和惯性领域新兴的十分重要的分支，也逐渐被广泛应用到很多领域当中。

微机械陀螺仪是一种基于微机械电子系统的新型全固态陀螺仪，与传统的机械陀螺仪相比，它具有价格低廉、体积小、可靠性好、质量小、量程大、便于数字化和智能化等优点。随着微机械加工技术的发展，微机械陀螺仪被普遍应用于各行各业。由于微机械陀螺仪在生产过程中，传感器灵敏度轴通常没有精确地与车身框架轴线重合，这是由于当将传感器焊接到板上时的制造缺陷以及传感器本身的缺陷，由此导致了微机械陀螺仪出厂精度低，使用前需要仔细标定。传统的高精度陀螺仪，已经有商业化的自动标定设备可用，但价格却十分昂贵。由此有必要针对微机械的陀螺仪，专门设计简易的自动标定装置。

惯性测量单元（IMU）是用来测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的仪器。一通常一个惯性测量单元由下面两部分组成：1.三个单轴的加速度计，2.三个单轴的陀螺。物体的姿态计算是通过对物体在三维空间的角速度和角速度测量来得到的。加速度信号的测量可通过加速度计来实现，角速度信号的测量则是通过陀螺仪来实现。惯性测量单元被广泛应用在导航系统中，并发挥着极大作用。惯性测量单元工作精度在很大程度上取决于陀螺仪的工作精度，由此本论文的标定设计方案以围绕惯性测量单元的校准来开展。

本课题将基于陀螺仪三个旋转轴相互耦合的问题上，选择合适的电机，通过精确控制三个轴的电机旋转，为待标定的陀螺仪提供一个已知的、恒速的三维旋转，来设计标定台。

1.2 国内外研究现状

宋丽君和秦永元两人在2008年设计了一种微机械系统陀螺仪的速率标定法，根据微机械陀螺仪的输出数学模型，详细推导了如何得到微机械陀螺仪的输出数学模型中的零漂、刻度因数和安置误差，并在得到其标定系数后将其封装在C函数中进行验证实验，通过实验数据分析可知，微机械陀螺仪速率标定法原理简单，易于实现，且精度较高。此标定法所得到的微机械陀螺仪输出数学模型能较准确地反映其输出，且微机械陀螺仪的线性度有所改善。