基于MEMS技术的微陀螺(microgyro)具有体积小、重量轻、价格低、寿命长和易于批量生产等诸多优点,具有广阔的应用前景。然而,由于工艺、检测电路等条件的限制,目前微陀螺的精度普遍较低,制约了其在高端领域的应用,国内更是与国外有较大的差距。因而研究如何有效提高微陀螺的精度具有十分重要的理论和战略意义。 本文提出了基于阵列技术的MEMS虚拟陀螺系统,一方面从硬件改进角度设计一款常压下具有高品质因数(Q值)的微陀螺;另一方面从软件补偿角度,通过卡尔曼滤波器将多个该类陀螺组成的陀螺阵列融合成一个高精度的虚拟陀螺。 论文的主要研究内容包括: (1)阐述了科氏效应振动式微陀螺的理论基础、分类、关键部件,清晰地提出了以设计指标为目标,以设计准则为原则,以工艺和电路水平为约束的微陀螺集成设计方法。 (2)基于现有的需求分析、工艺条件和电路水平,在西北工业大学的MEMS Garden集成设计平台上设计出了一款结构上对称解耦且驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼的微陀螺。测试结果表明该款陀螺在常压下具有较高的检测品质因数。 (3)详细研究了常见的微陀螺随机误差模型和Allan方差建模方法;并将Allan方差建模结果直接应用到微陀螺的随机误差模型中。 (4)国内首次提出基于多个同类传感器数据融合的虚拟陀螺概念;采用卡尔曼滤波算法设计了虚拟陀螺的最优估计滤波器;在Simulink仿真平台上实现了该滤波器并结合三个微陀螺的零漂数据进行了滤波实验。实验结果表明,三个偏置稳定性为35deg/hr的微陀螺,滤波后偏置稳定性最低降至0.15deg/hr,即漂移性能提高了约233倍。 本文基于软件和硬件相融合的MEMS虚拟陀螺技术研究,对于提高微陀螺的设计水平、促进微陀螺在高端领域的应用具有非常重要的参考价值。