基于Allan方差的MEMS陀螺仪噪声分析

㊀2018年㊀第5期

仪表技术与传感器

Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor

2018㊀No.5㊀

基金项目:国家自然科学基金(51278235);昆明理工大学计算物理与应用科技创新团队项目(KKGA201607014)收稿日期:2017-04-11

基于Allan方差的MEMS陀螺仪噪声分析

杜少林,陈书钊,陈鹏光,田亚芳,陈剑鸣

(昆明理工大学理学院,云南昆明㊀650504)

㊀㊀摘要:文中根据Allan方差原理系统的分析了随机噪声的来源㊁频率分布和对陀螺仪随机误差的影响,并对一种陀螺仪进行了实测和分析,用一种简单Allan方差方法,得到了5项对MEMS陀螺仪影响较大的噪声系数㊂结果表明,该方法能有效地估算出陀螺仪中的各项噪声系数㊂关键词:MEMS陀螺仪;随机噪声;Allan方差;噪声分析;MPU6050

中图分类号:TH89㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2018)05-0020-03

AnalysisofMEMSGyroscopeNoiseBasedonAllanVariance

DUShao⁃lin,CHENShu⁃zhao,CHENPeng⁃guang,TIANYa⁃fang,CHENJian⁃ming

(FacultyofScience,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504,China)

Abstract:Inthepaper,accordingtothetheoryoftheAllanvariancesystemanalysisoftherandomnoise,frequencydistri⁃bution,andimpactongyroscoperandomerror,andagyroscopewasmeasuredandanalyzed.UsingasimpleAllanvariancemeth⁃od,thefivenoisefactorshadagreaterimpactonMEMSgyroscope.Theresultsshowthatthismethodcaneffectivelyestimatethenoisefactorofthegyroscope.

Keywords:MEMSgyroscope;stochasticnoise;Allanvariance;erroranalysis;MPU6050

0㊀引言

MEMS陀螺仪具有成本低㊁体积小㊁功耗低㊁质量

轻及可靠性高等优势,已应用于各种平台中[1-2],MEMS陀螺仪与传统的光纤陀螺和环形激光陀螺相比具有精度较低的特点[2-3]㊂由于微型MEMS技术的限制,MEMS陀螺仪的精度存在缺陷[3]㊂因此,研究三轴陀螺仪的噪声辨识方法,对传感器误差进行估计,

对MEMS陀螺仪工艺具有重要的意义[3-4]㊂

Allan方差法起初用于研究振荡器的相位和频率不稳定性[1-4],由于加速度计㊁陀螺仪等惯性传感器也具有振荡器的特征[4],因此,Allan方差被广泛应用于MEMS惯性传感器的噪声分析和性能评估[3-5]㊂传统的Allan方差采用最小二乘对陀螺仪中的各项噪声系数进行估算,但这种方法会出现负值现象,有时反而放大了误差[4-6]㊂

本文采用一种简单的Allan方差分段拟合方法对

陀螺仪噪声系数进行估算,避免了大量的运算,可以直观地从Allan方差图中读出各项噪声系数,有效避免了由计算产生的误差㊂

1㊀Allan方差方法

以采样间隔TS,采集总时间长度为T对传感器数

据进行采样,得到1组数据㊂则总的采样点数为N=

T/TS㊂把采集到的数据,连续的n(n=1,2,3, ,N/Kmin,Kminɤ(N-1)/2)个数据点作为一个子集㊂则总的数据段被划分为K=N/n个子集㊂每个数据子集的持续时间表示为τ(n)=nTS㊂

对于第k+1个子集,其平均值可以表示为

Ωk+1(τ)=1nðn

i=1

Ωnk+i(1)

式中Ωnk+1为第k+1个子集当中的第i个采样点的值㊂对每个不同的平均时间τ(n)=nTS,计算Allan方差:

σ2(τ)=

E[(Ωk+1(τ)-Ωk(τ))2]=12(K-1)ðK-1

K=1

(Ωk+1(τ)-Ωk(τ))2(2)式中:K为划分的子集个数;E为求平均计算㊂

在实际应用当中,Allan方差的计算是基于一组有限的数据的,在平均时间增大时,可划分的独立子集数目减少,这会导致Allan方差估计的质量降低,文献[3]给出了误差区间的计算公式:

σ(δAV)=

2(N/n-1)

(3)

相关推荐
相关主题
热门推荐