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摘要：对载体驱动微机械陀螺和微机械加速度计共同构成的MEMS惯性测量组合在高转速环境下的姿态解算、初始对准等内容进行深入研究，通过对国内外现状的分析，根据MEMS测量组合的特点，给出其关键技术的实施方案，通过仿真实验验证方案的可行性。
关键词：载体驱动;微机械陀螺;MEMS
引言
随着MEMS技术的发展，出现了各种微机械陀螺，其体积小，功耗小、应用范围广等特点引起了各界研究的兴趣。但阻碍其发展的瓶颈是敏感高速旋转体姿态（自旋、偏航/俯仰角速度，以及偏航、俯仰角度）的传感器技术，这是涉及旋转体实用化的核心技术。
新型微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）惯性测量组合则以其体积小、重量轻、功耗低、成本低、抗高过载等一系列优势成为对常规弹药制导化改造的首选方案【1】。可见，MEMS的研制、开发与应用不仅是我国高新技术产品、国防、航天等领域发展迫切需求的关键基础技术，而且具有十分重要的战略意义和十分强烈的需求。
1 国内外研究现状
国内研制的MEMS惯性测量组合主要分为两种：一是选取国外产品作为核心器件，在此基础上进行信号处理及外围电路设计;二是采用国产化器件，独立进行研制。其中，采用第二种方法设计出来的惯性测量组合以其良好的性价比、小型化、低成本正在成為此领域新的发展趋势。目前，国产化器件主要采用北京信息科技大学传感技术研究中心研制的载体驱动微机械陀螺，此新型MEMS 关键器件制造技术的研究和开发水平已与国际同步，形成了较全面的硅基新型MEMS 研制能力，并研制出多种MEMS器件样机。这种载体驱动微机械陀螺不同于一般微机械陀螺，其本身没有驱动部件，利用旋转体自旋作为驱动力，与旋转体共同构成闭环回路惯性系统，其输出单路载波-包络信号经过分离解算可以同时得到旋转体的偏航、俯仰和自旋角速度姿态信息，因此具有三只传统有驱动结构陀螺的功能。采用载体驱动微机械陀螺和微机械加速度计共同构成的MEMS 惯性测量组合，具有测量精度高、可靠性高和使用成本低（相当于其它惯性测量组合的1/3）等特点，特别适用于高速旋转体的姿态测控。采用此器件研制的惯性测量组合在体积、质量、功耗上都具有很大的优势，被称为是传统惯性测量组合的一次重大变革。
2 MEMS惯性测量组合的关键技术
2.1 MEMS惯性测量组合在环境下的姿态解算
采用由载体驱动微机械陀螺和微机械加速度计共同构成MEMS惯性测量组合，在高转速环境下实现常规弹药制导。MEMS惯性测量组合的关键组成部件——载体驱动微机械陀螺【2】，与旋转体共同构成闭环回路惯性系统，其输出单路载波-包络信号包含了旋转体的飞行姿态信息，对其进行分离、解算，从而得到旋转体的偏航、俯仰和自旋角速度。
对微机械陀螺信号进行频谱分析，可以得到旋转飞行载体的滚动角速度，或者利用加速度计信号求取滚动角速度，因为两者相等;输出信号的包络的幅值可以求取俯仰和偏航的合角速度，而俯仰和偏航的夹角恰好等于微机械陀螺信号和加速度计信号的相位差【3】。因此，微机械陀螺解调出旋转飞行载体滚动、偏航和俯仰角速度的算法过程如图1所示。
其中：
（1）求滤波算法;
（2）求信号峰值算法;
（3）求包络算法;
（4）求两信号的相位差算法;
（5）求滚动角速度算法;
（6）抑制滚动角速度变化时对输出信号影响，求解俯仰和偏航合角速度;
（7）相位差复合建模补偿算法;
（8）实际相位差求解算法;
（9）偏航角速度和俯仰角速度求解算法;
（10）滚动、俯仰和偏航角度求取算法。
微机械陀螺信号经过预处理电路以后，仍会有很大的噪声。因此，在进行信号解调之前，要对信号进行平滑滤波。常见的滤波算法如：小波滤波算法、IIR滤波算法、FIR滤波算法、自适应滤波算法、卡尔曼滤波算法、零相移滤波算法等【4】。通过各种滤波算法滤波前后信噪比的比较，部分算法滤波后相位发生偏移或者误差较大。其中，零相移滤波算法没有这两个弊端，在微机械陀螺信号滤波中常被采用。
2.2 MEMS惯性测量组合的初始对准
应用于常规弹药制导化改造中的MEMS惯性测量组合系统属于捷联式惯导系统，其初始对准的目的是确定姿态矩阵的初始值。对准的精度和时间是初始对准时的两项重要技术指标，对准精度影响惯导系统的性能，对准时间标志着快速反应能力，因此要求初始对准精度高、对准时间短，即：精而快。为了达到这一要求，通常要求陀螺和加速度计具有高精度和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。
2.3 MEMS惯性测量组合的误差分离与补偿
为满足弹道修正应用，必须提高MEMS惯性测量组合的测量精度，极大程度降低系统测量误差【5】。因此要对系统产生的误差进行分析和处理。
3 仿真实验
实验测试在MEMS传感器三轴精密转台进行，它可在地面实验条件下模拟飞行体空间运动规律。其中内框模拟飞行体旋转，中框和外框转台分别模拟俯仰和偏航，可以实现模拟飞行体自转、俯仰、偏航三维运动。通过采集卡，可以记录飞行体三维姿态作为飞行体姿态基准信息，陀螺输出的飞行体信息进行比较。以验证信号解调的可靠性、适应性。根据转台的工作条件， 可以确定转台运动状态方程。
4结束语
MEMS惯性测量组合有重要的科学意义和应用价值。利用旋转载体自身角速度作为驱动力，从而构成没有驱动电路及其驱动梁的硅微机械陀螺，其原理正确。针对载体驱动微机械陀螺输出信号解调这一难点问题，基于对信号处理电路和输出波形的分析，给出了可供参考的算法。
参考文献
[1]吴立锋， 严庆文. 高速旋转飞行体姿态传感器信号解调方法[J]. 传感器与微系统，2010（6）：28-31.
[2]张富强，严庆文. 无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试[J]. 仪表技术与传感器，2009年增刊：16-24.
[3]方靖，商捷，顾启泰. 微机械陀螺随机误差建模的实验研究[J].传感技术学报，2008，21（9）：1514-1518.
[4]张福学，张伟.五驱动结构微机械陀螺及其应用[M].国防工业出版社. 2013
[5] Daniel Lapadatu， Bjφrn Blixhavn， Reidar Holm and Terje Kvisterφy. SAR500-A High-Precision High-Stability Butterfly Gyroscope with North Seeking Capability， 2010 IEEE.
关键词：载体驱动;微机械陀螺;MEMS
引言
随着MEMS技术的发展，出现了各种微机械陀螺，其体积小，功耗小、应用范围广等特点引起了各界研究的兴趣。但阻碍其发展的瓶颈是敏感高速旋转体姿态（自旋、偏航/俯仰角速度，以及偏航、俯仰角度）的传感器技术，这是涉及旋转体实用化的核心技术。
新型微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）惯性测量组合则以其体积小、重量轻、功耗低、成本低、抗高过载等一系列优势成为对常规弹药制导化改造的首选方案【1】。可见，MEMS的研制、开发与应用不仅是我国高新技术产品、国防、航天等领域发展迫切需求的关键基础技术，而且具有十分重要的战略意义和十分强烈的需求。
1 国内外研究现状
国内研制的MEMS惯性测量组合主要分为两种：一是选取国外产品作为核心器件，在此基础上进行信号处理及外围电路设计;二是采用国产化器件，独立进行研制。其中，采用第二种方法设计出来的惯性测量组合以其良好的性价比、小型化、低成本正在成為此领域新的发展趋势。目前，国产化器件主要采用北京信息科技大学传感技术研究中心研制的载体驱动微机械陀螺，此新型MEMS 关键器件制造技术的研究和开发水平已与国际同步，形成了较全面的硅基新型MEMS 研制能力，并研制出多种MEMS器件样机。这种载体驱动微机械陀螺不同于一般微机械陀螺，其本身没有驱动部件，利用旋转体自旋作为驱动力，与旋转体共同构成闭环回路惯性系统，其输出单路载波-包络信号经过分离解算可以同时得到旋转体的偏航、俯仰和自旋角速度姿态信息，因此具有三只传统有驱动结构陀螺的功能。采用载体驱动微机械陀螺和微机械加速度计共同构成的MEMS 惯性测量组合，具有测量精度高、可靠性高和使用成本低（相当于其它惯性测量组合的1/3）等特点，特别适用于高速旋转体的姿态测控。采用此器件研制的惯性测量组合在体积、质量、功耗上都具有很大的优势，被称为是传统惯性测量组合的一次重大变革。
2 MEMS惯性测量组合的关键技术
2.1 MEMS惯性测量组合在环境下的姿态解算
采用由载体驱动微机械陀螺和微机械加速度计共同构成MEMS惯性测量组合，在高转速环境下实现常规弹药制导。MEMS惯性测量组合的关键组成部件——载体驱动微机械陀螺【2】，与旋转体共同构成闭环回路惯性系统，其输出单路载波-包络信号包含了旋转体的飞行姿态信息，对其进行分离、解算，从而得到旋转体的偏航、俯仰和自旋角速度。
对微机械陀螺信号进行频谱分析，可以得到旋转飞行载体的滚动角速度，或者利用加速度计信号求取滚动角速度，因为两者相等;输出信号的包络的幅值可以求取俯仰和偏航的合角速度，而俯仰和偏航的夹角恰好等于微机械陀螺信号和加速度计信号的相位差【3】。因此，微机械陀螺解调出旋转飞行载体滚动、偏航和俯仰角速度的算法过程如图1所示。
其中：
（1）求滤波算法;
（2）求信号峰值算法;
（3）求包络算法;
（4）求两信号的相位差算法;
（5）求滚动角速度算法;
（6）抑制滚动角速度变化时对输出信号影响，求解俯仰和偏航合角速度;
（7）相位差复合建模补偿算法;
（8）实际相位差求解算法;
（9）偏航角速度和俯仰角速度求解算法;
（10）滚动、俯仰和偏航角度求取算法。
微机械陀螺信号经过预处理电路以后，仍会有很大的噪声。因此，在进行信号解调之前，要对信号进行平滑滤波。常见的滤波算法如：小波滤波算法、IIR滤波算法、FIR滤波算法、自适应滤波算法、卡尔曼滤波算法、零相移滤波算法等【4】。通过各种滤波算法滤波前后信噪比的比较，部分算法滤波后相位发生偏移或者误差较大。其中，零相移滤波算法没有这两个弊端，在微机械陀螺信号滤波中常被采用。
2.2 MEMS惯性测量组合的初始对准
应用于常规弹药制导化改造中的MEMS惯性测量组合系统属于捷联式惯导系统，其初始对准的目的是确定姿态矩阵的初始值。对准的精度和时间是初始对准时的两项重要技术指标，对准精度影响惯导系统的性能，对准时间标志着快速反应能力，因此要求初始对准精度高、对准时间短，即：精而快。为了达到这一要求，通常要求陀螺和加速度计具有高精度和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。
2.3 MEMS惯性测量组合的误差分离与补偿
为满足弹道修正应用，必须提高MEMS惯性测量组合的测量精度，极大程度降低系统测量误差【5】。因此要对系统产生的误差进行分析和处理。
3 仿真实验
实验测试在MEMS传感器三轴精密转台进行，它可在地面实验条件下模拟飞行体空间运动规律。其中内框模拟飞行体旋转，中框和外框转台分别模拟俯仰和偏航，可以实现模拟飞行体自转、俯仰、偏航三维运动。通过采集卡，可以记录飞行体三维姿态作为飞行体姿态基准信息，陀螺输出的飞行体信息进行比较。以验证信号解调的可靠性、适应性。根据转台的工作条件， 可以确定转台运动状态方程。
4结束语
MEMS惯性测量组合有重要的科学意义和应用价值。利用旋转载体自身角速度作为驱动力，从而构成没有驱动电路及其驱动梁的硅微机械陀螺，其原理正确。针对载体驱动微机械陀螺输出信号解调这一难点问题，基于对信号处理电路和输出波形的分析，给出了可供参考的算法。
参考文献
[1]吴立锋， 严庆文. 高速旋转飞行体姿态传感器信号解调方法[J]. 传感器与微系统，2010（6）：28-31.
[2]张富强，严庆文. 无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试[J]. 仪表技术与传感器，2009年增刊：16-24.
[3]方靖，商捷，顾启泰. 微机械陀螺随机误差建模的实验研究[J].传感技术学报，2008，21（9）：1514-1518.
[4]张福学，张伟.五驱动结构微机械陀螺及其应用[M].国防工业出版社. 2013
[5] Daniel Lapadatu， Bjφrn Blixhavn， Reidar Holm and Terje Kvisterφy. SAR500-A High-Precision High-Stability Butterfly Gyroscope with North Seeking Capability， 2010 IEEE.