[发明专利]一种基于边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配方法

说明书

本发明涉及一种基于检测模态驱动频率上下边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配算法，该系统包括信号处理模块和控制模块，通过调整陀螺仪检测模态的检测频率实现模态匹配；在陀螺仪正常工作状态下，对检测模态的输出信号进行采样，并将采样信号输入信号处理模块；采样信号经过低通滤波和降采样后，通过上下边带滤波分别得到检测模态中驱动频率两侧信号，比较两信号功率大小；控制模块通过两信号功率差值的正负情况，输出控制信号反馈到陀螺仪检测模态的调谐电极，由此控制检测模态的检测频率。本发明在不影响MEMS陀螺仪正常工作的前提下，实时调整检测频率，实现模态匹配，从而使系统机械灵敏度达到最大。

技术领域

本发明涉及一种算法，具体涉及一种基于边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配方法，属于微机电陀螺仪技术领域。

背景技术

MEMS陀螺仪是一种依据哥氏效应原理工作的传感器，随着MEMS技术的不断发展，陀螺仪在惯性导航领域的应用越来越成熟，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在军用和民用领域均得到广泛的应用。MEMS陀螺仪具有驱动模态和检测模态两个工作模态，模态匹配状态下陀螺的机械灵敏度达到最大，所以模态匹配可以改善陀螺机械灵敏度及其工作性能。

然而，由于加工条件的限制，以及温度等环境因素对谐振频率的影响，往往很难实现模态匹配。目前，国内外专家针对这一问题提出了许多实现模态匹配的方法，主要包括机械调谐和静电调谐，但机械调谐仅仅是改变陀螺仪的物理特性，并不能实现实时匹配等要求，静电调谐则可以通过静电负刚度效应来改变陀螺仪检测模态的频率，从而达到实时模态匹配的目的，因此被广泛使用和研究。研究一种高精度的实时模态匹配系统成为当下陀螺仪研究的一个重要方向。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配方法，该技术方案在不影响陀螺仪正常工作的前提下，尽量减少温度对陀螺仪模态匹配产生的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于边带功率对称性的MEMS陀螺仪模态匹配方法，其特征在于，包括信号处理模块和控制模块；陀螺仪正常工作时，输出检测信号以及噪声信号到信号处理模块；其中信号处理模块对信号进行低通滤波、降采样处理，通过比较检测模态中驱动频率两侧信号的功率大小，得到检测模态和驱动模态的模态顺序并输出至所述控制模块；控制模块根据两模态的模态顺序输出控制信号，经过D/A转换器反馈到检测模态的调谐电极，实现实时的模态匹配。

作为本发明的一种改进，所述信号处理模块包括低通滤波器，降采样器，上边带滤波器，下边带滤波器和功率计算模块，将输入检测模态的信号乘以cos(ω_d-ω₀)nT_s，信号功率谱向左右分别平移了f_d-f₀；低通滤波器滤除其中的高频信号，使得信号处于低频段，可以消除驱动频率漂移所造成的影响；降采样器降低信号采样率，根据一般FIR滤波器阶数估算公式，相同阶数的情况下，采样率越低，滤波器过渡带越陡，越接近理想特性；上下边带滤波器分别对信号进行滤波，得到驱动频率两侧的信号，通过比较两信号的功率大小即可判断驱动和检测模态的模态顺序；功率计算模块计算两信号的功率大小，根据功率计算公式，对上下边带信号分别进行累加求和即可得到功率的估计，将两信号的功率相减，并将功率差信号输出到控制模块。

作为本发明的一种改进，所述控制模块包括存储器，求和器和PI控制器，由于在仅有噪声的情况和包含哥氏信号的情况下，功率差的信号相差很大，所以取功率差信号的符号；存储器FIFO将符号存储起来；求和器将FIFO中的正负号数目进行累加，根据累加结果调整增益K的大小，若正号数量较负号多，则增大K以加快控制，若正负号数量接近，则减小K以减缓控制；PI控制器将经过增益的信号进行调节，输出到D/A转换器，进而反馈到检测模态调谐电极，实现实时地模态匹配。