基于姿態傳感器溫度補償方法的研究

隨著微機電系統(MEMS)技術在微型化技術基礎上，結合了電子、機械、材料等多種學科交叉融合的前沿科研領域的不斷發展與成熟，從而出現了很多基于MEMS技術的傳感器，此類傳感器具有體積小、重量輕、低功耗、多功能等優點，在電子產品、航空航天、機械化工等行業中得到了廣泛應用。其中基于MEMS姿態傳感器主要用于載體姿態的調整和傾角的檢測，但是由于工作環境溫度的改變，就會導致測量精度的變化，在一些高精度檢測的要求下，則失去其檢測的效果，所以必須采取相應措施來消除或者減少隨溫度變化而引起的誤差，即必須對傳感器進行溫度補償。

傳感器的溫度補償方法大致可以分為兩種，即硬件補償和軟件補償。硬件補償方法主要是改變電路來達到補償效果，但是這種方法會導致電路的復雜化，同時提高了成本。軟件補償方法主要有最小二乘法、BP 神經網絡法、回歸法等。從計算的方便性和補償精度的準確性兩個方面，本文采取最小二乘法進行溫度補償。

1 姿態傳感器的溫度補償原理

本文采用美國InvenSense 公司生產的ITG?3205 三軸陀螺儀芯片，該芯片中內嵌有數字輸出溫度傳感器，因此可以隨時檢測出傳感器所處的環境溫度。在不同的工作環境溫度下，傳感器實際角度輸出值與理論角度輸出值會出現一定的誤差，稱之為溫度誤差。為了消除或者減少這種溫度誤差，利用最小二乘法進行曲線擬合，最終達到或接近理論角度輸出值。

傳感器根據輸入的檢測信號，通過姿態檢測模塊和溫度檢測模塊采集相關數據，然后經過溫度補償模塊進行相應的溫度補償，最后通過輸出檢測模塊可得到預期的檢測信號。姿態傳感器的溫度補償原理如框圖1所示。

2 姿態傳感器的溫度補償方法

在同一溫度下，不同角度的理論值與輸出值之間嚴格意義上是一種非線性關系，但是由于這種誤差值相對不大，可以近似的認為是一種線性關系，即y = mx + n 的線性關系。通過最小二乘法進行線性擬合，可以得出參數m 和n 的值。

此時可以發現，在不同的溫度下，所擬合出來的m和n 值是隨溫度的變化而變化的。在此情況下，必須找出溫度分別與m 和n 之間的關系，為此同樣可以根據最小二乘法再次進行曲線擬合，從而得出m 值與溫度之間的關系。同理也可以得出n 與溫度之間的關系。經過兩次曲線擬合之后，可以得出理論值與輸出值之間的誤差有了明顯的減小，并且滿足預期的要求。在實際應用中，為了達到高精度檢測的要求，可以通過測量多組數據進行曲線擬合的方法來實現。

3 姿態傳感器的實驗數據處理

由于各軸的檢測原理是相同的，因此本論文采用x軸的檢測數據進行實驗驗證。主要的實驗儀器有被測姿態傳感器、經緯儀、高低恒溫箱、高精度角度檢測儀等。表1所得數據是未經溫度補償時的實驗數據，即原始數據。

3.1 第一次線性擬合

由于按照最小二乘法的基本步驟進行擬合的計算量比較大，所以本文采用Matlab進行數據處理，這樣不但可以減少復雜的計算過程，而且還可以保證較高的計算精度。

例如在溫度T=-30 °C的條件下，以理論角度x 為自變量，輸出角度y 為因變量，根據線性關系式y = mx + n ,計算出參數m 和n的值。具體計算程序如下：

擬合圖像如下圖2所示。

依次求出不同溫度下參數m 和n 的值，計算結果如表2所示。

3.2 第二次曲線擬合

以參數m 為因變量，溫度t 為自變量，根據曲線擬合式mt = at2 + bt + c ,利用Matlab 求出a,b,c 的值，最終確定m 與t 的函數關系式。同理，可求得n 與t 的函數關系式。具體計算程序如下：