一种陀螺仪模态反转零位自校正方法及系统与流程

本发明涉及微陀螺校准技术领域，特别是涉及一种陀螺仪模态反转零位自校正方法及系统。

背景技术：

微机械(microelectro-mechanicalsystem，mems)陀螺是微小型惯性导航系统中重要的传感器之一。mems陀螺具有体积小、成本低、重量轻以及功耗低等特点，在现代军事装备短程制导、组合导航、姿态控制、民用汽车及消费类电子市场等方面得到了广泛应用。mems陀螺由于受环境温度、气压、机械耦合、残余应力释放、表芯机械、热应力等因素的影响，导致其长期稳定性较差，且安装完成后，无法对mems陀螺的零偏与刻度因子进行实时校准。故mems陀螺自校准技术是提高mems陀螺长期稳定性的关键技术之一。

目前，mems陀螺的自校准技术主要分为两类：一是采用基于神经网络算法等信号处理算法，对mems陀螺输出信号进行建模，而后通过所得的模型对mems陀螺输出信号补偿；二是在mems陀螺内嵌激励装置，受虚拟激励信号产生振动，实现自校准补偿。

针对第一类自校准技术，现有技术中首先采集多组学习样本建立mems陀螺温度补偿模型，然后依次建立并训练基于温度补偿模型的神经网络、建立并训练rbf神经网络，最终得到mems陀螺输出补偿。采用该类技术实现自校准，虽然解决了对mems陀螺输出的补偿且提高了mems陀螺的实时性，但还存在以下问题：1)学习训练得到的模型，仅针对单只陀螺有效，泛化后应用于其他同类陀螺时，模型精确度降低，补偿精度下降；2)训练得到的模型与mems陀螺结构层机理无关，不能真实反映mems陀螺输出信号漂移的物理机理，易受数据中噪声影响，产生过拟合，泛化能力差；3)无法对mems陀螺的刻度因子进行实时校准补偿。

针对第二类自校准技术，现有技术中的陀螺仪包括主体，可根据驱动轴移动的驱动质量块，以及由驱动质量块驱动且可按照感应周移动的感应质量块，以响应于所述主体的旋转。驱动装置与该主体和该驱动质量块构成微机电控制回路，并维持该驱动质量块以驱动频率振荡，所述驱动装置包括：频率检测器，其提供在驱动质量块的振荡频率上的时钟信号，以及同步级，其给时钟信号施加校准的相移，以补偿由设置在驱动质量块与控制节点之间的回路的部件引起的相移。采用该类技术实现自校准，虽然具有对零偏不稳定自校准补偿和高集成度的优点，但还存在以下问题：1)该自校准装置的激励平台和外围平台与mems陀螺的封装外壳相互独立，加工制造工艺具有较大难度；2)微激励结构材料与封装材料不一致，材料应力影响较大，其机械特性产生变化，导致激励输出可能产生漂移；3)微激励结构本身为可动件，会与mems加速度计敏感结构发生运动耦合，从而降低环境适应性。

综上，现有的微陀螺零位校准补偿方法的泛化性差，易受噪声影响产生过拟合等问题、加工难度大、环境适应差等问题。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种陀螺仪模态反转零位自校正方法及系统，以同时实现非对称表芯结构的mems陀螺仪的刻度因子与零偏稳定性的实时自校准，且校正精度高，泛化能力强，环境适应性好，易于加工，便于实现。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种陀螺仪模态反转零位自校正方法，所述方法包括：

采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；

获取所述校准后的目标陀螺仪的第一测量值和第二测量值；所述第一测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号，所述第二测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号；所述正常工作状态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为驱动轴，y轴为检测轴工作时的状态，所述模态反转态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为检测轴，y轴为驱动轴工作时的状态；

利用零偏估计算法对所述第一测量值和所述第二测量值进行处理，得到所述校准后的目标陀螺仪的零偏估计值；

利用所述零偏估计值对所述校准后的目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值；

获取所述校准后的参考陀螺仪的第三测量值；所述第三测量值为所述校准后的参考陀螺仪处于所述正常工作状态时的输出的角速率信号；

依据所述零偏校准值和所述第三测量值确定所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

可选的，所述采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪，具体包括：

获取第一参考查找表和第二参考查找表；所述第一参考查找表包括目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；所述第二参考查找表包括参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；

依据所述目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第一激励电压信号、依据所述目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第二激励电压信号、依据所述参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第三激励电压信号以及依据所述参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第四激励电压信号；

获取所述第一激励电压信号对应的目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述第二激励电压信号对应的目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子、所述第三激励电压信号对应的参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子以及所述第四激励电压信号对应的参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子；

获取目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子、参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子和参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子；

利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述目标陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；

利用所述参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的参考陀螺仪；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。

可选的，所述利用所述目标陀螺仪驱动轴对应的参考刻度因子和实际刻度因子以及所述目标陀螺仪检测轴对应的参考刻度因子和实际刻度因子对所述目标陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪，具体包括：

利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子得到第一误差估计信号；所述第一误差估计信号为所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子误差估计信号；

依据所述第一误差估计信号对所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子进行校正；

利用所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子得到第二误差估计信号；所述第二误差估计信号为所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子误差估计信号；

依据所述第二误差估计信号对所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子进行校正。

可选的，所述依据所述零偏校准值和所述第三测量值确定所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号，具体包括：

判断所述目标陀螺仪是否处于所述正常工作状态或所述模态反转态；

若是，则将所述零偏校准值和所述第三测量值的平均值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号；

若否，则将所述第三测量值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

本发明还提供了一种陀螺仪模态反转零位自校正系统，所述系统包括：

刻度因子校准模块，采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；

第一获取模块，用于获取所述校准后的目标陀螺仪的第一测量值和第二测量值；所述第一测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号，所述第二测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号；所述正常工作状态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为驱动轴，y轴为检测轴工作时的状态，所述模态反转态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为检测轴，y轴为驱动轴工作时的状态；

零偏估计值获取模块，用于利用零偏估计算法对所述第一测量值和所述第二测量值进行处理，得到所述校准后的目标陀螺仪的零偏估计值；

零偏校准模块，用于利用所述零偏估计值对所述校准后的目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值；

第二获取模块，用于获取所述校准后的参考陀螺仪的第三测量值；所述第三测量值为所述校准后的参考陀螺仪处于所述正常工作状态时的输出的角速率信号；

确定模块，用于依据所述零偏校准值和所述第三测量值确定所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

可选的，所述刻度因子校准模块，具体包括：

查找表获取单元，用于获取第一参考查找表和第二参考查找表；所述第一参考查找表包括目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；所述第二参考查找表包括参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；

激励电压产生单元，用于依据所述目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第一激励电压信号、依据所述目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第二激励电压信号、依据所述参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第三激励电压信号以及依据所述参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第四激励电压信号；

参考刻度因子获取单元，用于获取所述第一激励电压信号对应的目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述第二激励电压信号对应的目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子、所述第三激励电压信号对应的参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子以及所述第四激励电压信号对应的参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子；

实际刻度因子获取单元，用于获取目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子、参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子和参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子；

第一校准单元，用于利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述目标陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；

第二校准单元，用于利用所述参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的参考陀螺仪；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。

可选的，所述第一校准单元，具体包括：

第一误差计算子单元，用于利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子得到第一误差估计信号；所述第一误差估计信号为所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子误差估计信号；

第一校正子单元，用于依据所述第一误差估计信号对所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子进行校正；

第二误差计算子单元，用于利用所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子得到第二误差估计信号；所述第二误差估计信号为所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子误差估计信号；

第二校正子单元，用于依据所述第二误差估计信号对所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子进行校正。

可选的，所述确定模块，具体包括：

判断单元，用于判断所述目标陀螺仪是否处于所述正常工作状态或所述模态反转态；若是，则将所述零偏校准值和所述第三测量值的平均值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号；若否，则将所述第三测量值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种陀螺仪模态反转零位自校正方法及系统，所述方法首先采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪；然后获取校准后的目标陀螺仪的处于正常工作状态时输出的角速率信号和处于模态反转态时输出的角速率信号；利用零偏估计算法对目标陀螺仪在两种模态下得到的测量值进行处理，得到零偏估计值；利用零偏估计值对校准后的目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值；获取参考陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号；最后依据零偏校准值和参考陀螺仪输出的角速率信号确定目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。本发明能够同时实现刻度因子与零偏稳定性的实时自校准，且校正精度高，泛化能力强，环境适应性好，易于加工，便于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种陀螺仪模态反转零位自校正方法的流程图；

图2为非对称mems陀螺仪的表芯结构示意图；

图3为正常工作模态的工作原理示意图；

图4为模态反转态的工作原理示意图；

图5为模态反转工作时序图；

图6为本发明实施例一种陀螺仪模态反转零位自校正系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种陀螺仪模态反转零位自校正方法的流程图。

参见图1，实施例的陀螺仪模态反转零位自校正方法，所述方法包括：

步骤s1：采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪。

所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。

本实施例中的目标陀螺仪和参考陀螺仪均为非对称表芯结构的mems陀螺仪，其表芯结构如图2所示，由于非对称的结构，因此想要满足零偏校准过程中的模态反转的工作条件，要对陀螺仪的驱动轴(x轴)和检测轴(y轴)的刻度因子进行归一化，实现力学对称。参见图2，非对称表芯结构的mems陀螺仪在工作过程中，驱动梳齿结构与检测梳齿结构根据相应的控制时序，实现模态反转及零位的实时校正。

所述步骤s1，具体包括：

步骤101：获取第一参考查找表和第二参考查找表。

所述第一参考查找表包括目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；所述第二参考查找表包括参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表。

本实施例中各个查找表的计算原理如下：

ω为虚拟角速率，nfy为检测梳齿个数，ε0为真空介电常数，hfy为检测梳齿厚度，dfy为检测梳齿间距，m为质量块的质量，vx为驱动方向的速度，vd为施加在检测梳齿上的直流电压，vasin(ωdt)为施加在检测梳齿的激励电压信号。

步骤102：依据所述目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第一激励电压信号、依据所述目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第二激励电压信号、依据所述参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第三激励电压信号以及依据所述参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第四激励电压信号。

步骤103：获取所述第一激励电压信号对应的目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述第二激励电压信号对应的目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子、所述第三激励电压信号对应的参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子以及所述第四激励电压信号对应的参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子。

步骤104：获取目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子、参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子和参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子。

步骤105：利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述目标陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。所述步骤105，具体包括：

步骤1051：利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子得到第一误差估计信号；所述第一误差估计信号为所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子误差估计信号。

步骤1052：依据所述第一误差估计信号对所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子进行校正。

步骤1053：利用所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子得到第二误差估计信号；所述第二误差估计信号为所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子误差估计信号。

步骤1054：依据所述第二误差估计信号对所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子进行校正。

步骤106：利用所述参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的参考陀螺仪；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。所述步骤106，具体包括：

步骤1061：利用所述参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子得到第三误差估计信号；所述第三误差估计信号为所述参考陀螺仪驱动轴的刻度因子误差估计信号。

步骤1062：依据所述第三误差估计信号对所述参考陀螺仪驱动轴的刻度因子进行校正。

步骤1063：利用所述参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子得到第四误差估计信号；所述第四误差估计信号为所述参考陀螺仪检测轴的刻度因子误差估计信号。

步骤1064：依据所述第四误差估计信号对所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子进行校正。

步骤s2：获取所述校准后的目标陀螺仪的第一测量值和第二测量值。

所述第一测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号，所述第二测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号；所述正常工作状态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为驱动轴，y轴为检测轴工作时的状态，所述模态反转态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为检测轴，y轴为驱动轴工作时的状态。

本实施例中采用的模态反转技术的原理为将目标陀螺仪正常工作态的驱动和检测模态进行反转，得到正常工作态的角速率输出信号和模态反转态的角速率输出信号，将两个信号进行差分后，即可消除角速率信号中的零偏漂移。图3为正常工作模态的工作原理示意图，图4为模态反转态的工作原理示意图，参见图3和图4，正常工作态为x轴(410)驱动，y轴(420)检测，则模态反转后的工作态为x轴(410)检测、y轴(420)驱动，对两种工作态下的输出信号作差分运算，即可消除零偏漂移。图中的ky为y轴的刚度主轴，kx为x轴的刚度主轴，dy为y轴的阻尼主轴，dx为x轴的阻尼主轴，θ为阻尼主轴与x(y)轴的夹角，ε为刚度主轴与x(y)轴的夹角。下面进行具体分析：

参见图3，假设刚度主轴(411、421)的刚度系数为k1和k2，刚度主轴(411、421)与驱动检测轴(410、420)之间的倾斜夹角为ε，令{x,y}作为驱动轴(410)与检测轴(420)，{x′,y′}为刚度主轴(411、421)坐标。可得刚度主轴上的弹性力fx′和fy′与刚度系数之间的关系为

而刚度主轴(411、421)与表芯结构的驱动(410)与检测轴(420)之间的关系为

驱动与检测轴(410、420)上的实际刚度系数可表示为

由坐标变化可知，刚度主轴(411、421)上的弹性力与实际作用在驱动轴(410)与检测轴(420)的弹性力之间的关系为

则综上可得，驱动轴(410)与检测轴(420)的实际的刚度系数可表示为

即有

化简可得：

kxx为x轴方向的刚度系数，kxy为x轴和y轴方向间耦合的刚度系数，kyy为y轴方向的刚度系数。

参见图4，当进行模态反转后，原有的弹性主轴坐标系不变而实际的驱动轴(410)与检测轴(420)发生90°旋转，与上述过程类似可得到

即有：

化简可得：

假设阻尼主轴(412、422)的刚度系数为d1和d2，阻尼主轴(412、422)与驱动检测轴(410、420)之间的倾斜夹角为θ，与对刚度系数的推导过程类似，可得到模态反转前后实际驱动轴(410)与检测轴(420)的阻尼系数。

模态反转前的实际阻尼系数为：

模态反转后的实际阻尼系数为：

本实施例中的陀螺为z轴陀螺，在分析陀螺的基本工作原理时，可将陀螺等效为一个2自由度的质量-弹簧系统。陀螺首先受到沿x轴方向的驱动力作用产生振动，该振动模态称为驱动模态，其振动频率为ωx，振动幅度为q0，振动相位为

首先分析正常工作态(x轴驱动，y轴检测)下的陀螺动力学方程，可得：

上式中，m1和m2分别驱动质量和检测质量，x和y分别驱动方向的位移和检测方向的位移，ω为输入角速率，udrive和usense分别驱动方向的力和检测方向的力。

由之前推导可知，此时解调得到的包含角速率的信号为

然后，对模态反转后的工作态(x轴检测，y轴驱动)下的陀螺动力学方程进行分析，可得

同理，由之前推导可知，模态反转后解调得到的包含角速率的信号为s′

模态反转前刻度因子sf和零偏漂移项bias分别为

模态反转后刻度因子sf′和零偏漂移项bais′分别为

其中

将模态反转前后的刚度系数和阻尼系数代入上式中，可得

当驱动模态与检测模态的刻度因子相同时，有

依据上式可得到正常工作态输出信号与模态反转态输出信号之间的差值e，

由上式可知，所述差值e中不包含零偏量，因此，当驱动模态与检测模态满足刻度因子相同时，可通过模态反转的方法，将角速率输出信号中的零偏漂移完全消除。

步骤s3：利用零偏估计算法对所述第一测量值和所述第二测量值进行处理，得到所述校准后的目标陀螺仪的零偏估计值。

步骤s4：利用所述零偏估计值对所述校准后的目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值。

步骤s5：获取所述校准后的参考陀螺仪的第三测量值。

所述第三测量值为所述校准后的参考陀螺仪处于所述正常工作状态时的输出的角速率信号。

步骤s6：依据所述零偏校准值和所述第三测量值确定所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

所述步骤s6具体包括：

判断所述目标陀螺仪是否处于所述正常工作状态或所述模态反转态；若是，则将所述零偏校准值和所述第三测量值的平均值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号；若否(如目标陀螺仪处于模态反转过渡周期时)，则将所述第三测量值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

下面为一个具体的实施例。

1)采用虚拟激励法对陀螺仪的刻度因子进行校准归一化

由于实施例中采用的陀螺仪表芯结构为非对称性结构，x轴与y轴的刻度因子不同，因此在应用模态反转技术之前，需对x轴与y轴的刻度因子进行标准归一化校准，使x、y轴的刻度因子相同。本实施例中采用的校准归一化方法不依赖外部激励(如速率转台等)，而是采用虚拟激励法根据角速率-电压查找表产生激励电压信号，由该激励电压信号测试得到刻度因子并与实际刻度因子进行比较，并将差值反馈输入至刻度因子误差估计器中，产生刻度因子误差估计信号反馈调节刻度因子校正器的参数，使调节后的刻度因子值与陀螺标准归一化刻度因子查找表中的刻度因子值一致，最终，将x、y轴的刻度因子均归一化为陀螺标准归一化刻度因子查找表中的刻度因子值。

以x轴刻度因子归一化校准为例，首先由陀螺仪x轴虚拟角速率-电压查找表产生激励电压信号，一路输入至陀螺仪标准归一化刻度因子查找表，得到标准归一化刻度因子作为参考刻度因子；另一路输入至刻度因子校正器，测试得到陀螺x轴实际刻度因子值。将x轴参考刻度因子与x轴实际刻度因子输入至减法器中，得到差值反馈输入至刻度因子估计器中，产生刻度因子误差估计信号反馈调节刻度因子校正器中的参数，使调节后的刻度因子值与陀螺标准归一化刻度因子查找表中的刻度因子值一致，最终，将x轴的刻度因子归一化为陀螺标准归一化刻度因子查找表中的刻度因子值。同理，y轴的刻度因子也可归一化为陀螺标准归一化刻度因子查找表中的刻度因子值，即x、y轴的刻度因子归一化为同一标准值。

2)模态反转零位自校准的工作流程

在零位校准工作之前，利用静电激励刻度因子归一化方法分别对目标陀螺仪和参考陀螺仪的驱动/检测轴的刻度因子进行校准，具体校准方法如步骤1)。

零位校准过程如下：

在在零位校准开始工作时，目标陀螺仪和参考陀螺仪均处于正常工作状态；

对目标陀螺仪进行模态反转，参考陀螺仪扔处于正常工作状态，得到目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号、目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号以及参考陀螺仪处于所述正常工作状态时的输出的角速率信号；

零偏估计器采用利用零偏估计算法对目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号、目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号进行处理，得到零偏估计值；

利用零偏估计值对目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值；

控制目标陀螺仪返回正常工作状态，正常输出角速率测量值，此时校正后的角速率测量输出值为两只陀螺测量输出值的平均值。

3)模态反转工作流程

控制目标陀螺仪处于正常工作态，即x轴(410)驱动，y轴(420)检测；将处于正常工作态的目标陀螺仪输出的角速率测量值输入至微处理器(fpga、dsp及单片机等)中的存储单元中；控制目标陀螺仪进入模态反转态，即x轴(410)检测，y轴(420)驱动；将处于模态反转工作态的目标陀螺仪输出的角速率测量值输入至微处理器中的存储单元；利用零偏估计算法，调用微处理器中存储单元内存储的正常工作态与模态反转工作态时的测量角速率值，输入至运算单元中进行计算，得到的零偏估计值返回存储单元中，以用于对的目标陀螺仪的零偏量进行校准补偿。

4)模态反转工作时序

图5为模态反转工作时序图，参见5，两个陀螺在从测量值1(meas1)到测量值(meas2)的每一个测量间隔中，陀螺均工作在稳定状态。两个陀螺均检测同一轴向的角速率输入。零偏估计算法的具体算法为：目标陀螺仪和参考陀螺仪在第i个测量间隔的测量输出measa(i)和measb(i)可表示为

measa(i)＝win(i)±biasa

measb(i)＝win(i)±biasb

measa(1)＝win(1)+biasa

measb(1)＝win(1)+biasb

measa(2)＝win(2)-biasa

measb(2)＝win(2)+biasb

或者如下的矩阵形式

其中win(i)表示第i个测量间隔内的角速率输入信号，biasa表示目标陀螺仪的零偏量，biasb表示参考陀螺仪的零偏量；

为了便于表示，将上述矩阵写为z＝|h|*x

其中，矩阵h为非奇异矩阵，则可得：

可解得4个变量，如下所示：

零偏估计器实时处理输入信号并实时输出。

5)零偏估计器的结构

零偏估计器由微处理器与输入/输出接口电路耦合而成，微处理器由存储单元和运算单元组成，其中存储单元中包含只读内存(rom)和随机地址存储(ram)。微处理器由初始存储在rom中的控制程序所控制。该微处理器可采用fpga、dsp、单片机以及asic的方式实现。

本实施例的陀螺仪模态反转零位自校正方法能够实时抵消非对称表芯结构的mems陀螺仪工作时的零位漂移，从而极大的降低长时间工作的误差累积，提高导航、测姿系统的测量精度。

本发明还提供了一种陀螺仪模态反转零位自校正系统，图6为一种陀螺仪模态反转零位自校正系统的结构示意图。参见图6，实施例的陀螺仪模态反转零位自校正系统包括：

刻度因子校准模块601，采用虚拟激励法分别对目标陀螺仪的刻度因子和参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪和校准后的参考陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。

所述刻度因子校准模块601，具体包括：

查找表获取单元，用于获取第一参考查找表和第二参考查找表；所述第一参考查找表包括目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表；所述第二参考查找表包括参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表和参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表。

激励电压产生单元，用于依据所述目标陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第一激励电压信号、依据所述目标陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第二激励电压信号、依据所述参考陀螺仪驱动轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第三激励电压信号以及依据所述参考陀螺仪检测轴的虚拟角速率与电压对应转换的查找表产生第四激励电压信号。

参考刻度因子获取单元，用于获取所述第一激励电压信号对应的目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述第二激励电压信号对应的目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子、所述第三激励电压信号对应的参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子以及所述第四激励电压信号对应的参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子。

实际刻度因子获取单元，用于获取目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子、参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子和参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子。

第一校准单元，用于利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述目标陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的目标陀螺仪；所述校准后的目标陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子；所述第一校准单元，具体包括：第一误差计算子单元，用于利用所述目标陀螺仪驱动轴的参考刻度因子和所述目标陀螺仪驱动轴的实际刻度因子得到第一误差估计信号；所述第一误差估计信号为所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子误差估计信号；第一校正子单元，用于依据所述第一误差估计信号对所述目标陀螺仪驱动轴的刻度因子进行校正；第二误差计算子单元，用于利用所述目标陀螺仪检测轴的参考刻度因子和目标陀螺仪检测轴的实际刻度因子得到第二误差估计信号；所述第二误差估计信号为所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子误差估计信号；第二校正子单元，用于依据所述第二误差估计信号对所述目标陀螺仪检测轴的刻度因子进行校正。

第二校准单元，用于利用所述参考陀螺仪驱动轴的参考刻度因子、所述参考陀螺仪驱动轴的实际刻度因子、所述参考陀螺仪检测轴的参考刻度因子和所述参考陀螺仪检测轴的实际刻度因子对所述参考陀螺仪的刻度因子进行校准，得到校准后的参考陀螺仪；所述校准后的参考陀螺仪的驱动轴和检测轴具有相同的刻度因子。

第一获取模块602，用于获取所述校准后的目标陀螺仪的第一测量值和第二测量值；所述第一测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于正常工作状态时输出的角速率信号，所述第二测量值为所述校准后的目标陀螺仪处于模态反转态时输出的角速率信号；所述正常工作状态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为驱动轴，y轴为检测轴工作时的状态，所述模态反转态为所述校准后的目标陀螺仪以x轴为检测轴，y轴为驱动轴工作时的状态。

零偏估计值获取模块603，用于利用零偏估计算法对所述第一测量值和所述第二测量值进行处理，得到所述校准后的目标陀螺仪的零偏估计值。

零偏校准模块604，用于利用所述零偏估计值对所述校准后的目标陀螺仪输出的角速率信号进行补偿校准，得到零偏校准值。

第二获取模块605，用于获取所述校准后的参考陀螺仪的第三测量值；所述第三测量值为所述校准后的参考陀螺仪处于所述正常工作状态时的输出的角速率信号。

确定模块606，用于依据所述零偏校准值和所述第三测量值确定所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

所述确定模块606，具体包括：

判断单元，用于判断所述目标陀螺仪是否处于所述正常工作状态或所述模态反转态；若是，则将所述零偏校准值和所述第三测量值的平均值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号；若否，则将所述第三测量值作为所述目标陀螺仪零位自校正后的输出信号。

本实施例的陀螺仪模态反转零位自校正系统能够同时实现刻度因子与零偏稳定性的实时自校准，且校正精度高，泛化能力强，环境适应性好，易于加工，便于实现。

本说明书中对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。