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毕业设计范例

毕业设计说明书

数字角速率陀螺仪测控系统设计

学生姓名：

×××学号：

XX01054XXX

学院：

机电工程学院

专业：

探测制导与控制技术

指导教师：

李波

20XX年06月

数字角速率陀螺仪测控系统设计

摘要

MEMS是微机电系统的简称,是多种学科交叉融合的前沿高技术,是未来的主导产业之一,将对21世纪人类的科学技术、生产方式和生活方式产生深远的影响。

本文通过对MEMS传感器CRS03系列角速率陀螺仪的参数进行研究并分析其性能指标，从而选择相应的步进电机对其进行驱动，应用Labview编写PC机驱动和控制程序，以实现陀螺仪的转动控制和角度测试，完成数字角速度陀螺仪设计测控系统。

本文分为五部分：

第一章绪论主要引出研究课题及相关背景，第二章对本设计所用到的相关原理进行了介绍，第三章对电机等硬件部分进行了分析设计，第四章则重点解决软件问题，第五章得出结论。

本设计主要方法是基于声卡编程，由USB口给MEMS振动陀螺供电，声卡喇叭输出口输出频率可变的方波作为控制信号控制电机转速，步进电机带动陀螺转动，陀螺角速率数据从声卡麦克风输入口读入PC机。

电机驱动信号的发出及陀螺反馈信号的接受均通过LabVIEW编程实现，同时显示两者的转速。

通过分析比较即可确定陀螺仪的精度指标。

MEMS陀螺仪用途广泛，而Labview的声卡编程为其角速率的测量提供了一种简单有效的方法，该方法具有一定的适用性。

关键词：

MEMS传感器，陀螺仪，步进电机，Labview

TheDesignoftheDigitalAngularRateGyroscopeControlSystem

Abstract

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）isamulti-subjectadvancedhightechnologyandoneoftheleadingindustriesinfuture.Itwillhaveaprofoundeffectonhumanscienceandtechnology,themodeofproductionandthewayoflifeinthetwenty-firstCentury.BystudyingtheparametersoftheMEMSsensorCRS03seriesangularrategyroscopeanditsperformanceindex,thecorrespondingstepmotorfordrivingcanbechosen.ThroughtheapplicationofLabviewprogrammingdrivingandcontrolsystemofPCmachine,Gyrorotationcontrolandanglemeasurementcanbeachievedandthedigitalangularrategyroscopecontrolsystemcanbecomplete.

Thisarticleisdividedintofiveparts：

Thefirstchaptermainlyleadstoresearchandtherelatedbackground.Thesecondchapterintroducestherelatedprinciplethatthisdesignuses.Themotorandotherhardwarecomponentsareanalyzedanddesignedinthirdchapter.Andthefourthchapterfocusesonsolvingtheproblemsofsoftware.Andconclusionsaredrawninchapterfive.

Themainmethodofthisdesignisbasedonthesoundcardprogramming.USBexportisusedtosupplypowertoMEMSvibrationgyro.Asaresultofsquarewavewithvariablefrequencyprovidedbysoundcardspeakeroutputwhichisusedasthesignaltocontrolthemotorspeed,thestepmotordrivesthegyrotorotate.AndthedatasofgyroangularratearesentintoPCmachinethroughsoundcardmicrophone.ThemotordrivesignalandthefeedbackofgyrosignalreceivingareavailableowedtoLabVIEWprogrammingwhichcandisplaybothspeedatthesametime.Theprecisionofgyroscopeindexcanbedeterminedthroughanalysisandcomparison.

MEMSgyroscopehasawideapplicationandtheLabviewprogrammingbasedonthesoundcardprovidesasimpleandeffectivemethodforitsangularratemeasurements.Thismethodispracticaltoacertainextent.

Keywords:

MEMSsensor、gyroscope、stepmotor、Labview

1绪论

1.1选题背景知识及意义

（一）陀螺仪简介

陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它的发展对一个国家的工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。

自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

1976年，Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。

由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

（二）微机电传感器MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）

　惯性测量是利用陀螺仪和加速度计分别敏感载体相对惯性空间的角速度和加速度来进行运动载体角速度、运动加速度、速度、位置、姿态等运动参数的测量。

此测量方式具有自主性测量、短期稳定性好的特点,在军事工业中得到广泛应用,并成为影响武器性能的一项关键技术。

近年来,随着惯性技术的发展、成熟,惯性器件的成本不断降低,使其在民用领域应用成为可能,并在石油钻井、智能驾驶、机器人自动控制等领域得到成功应用[1-5]。

MEMS是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

MEMS陀螺仪是利用Coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，然后进行数字积分，进而得到车体的方位角[6]。

MEMS技术最早由RichardPfeynman（1965年获得诺贝尔物理奖），在1959年提出设想。

1962年硅微型压力传感器问世。

1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。

1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。

惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。

MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，一般由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。

根据传感原理不同，主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。

MEMS陀螺是利用震动质量块被基座（壳体）带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成。

主要形式有框架驱动式（内、外框架两种）梳状驱动式、电磁驱动式等。

IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，所以很多地方称为MIMU。

主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。

AHRS则为包括三个磁传感器的IMU，并且依据四元素法进行了解算，直接可输出一个运动体的俯仰角、横滚角和航向角。

随着微机电系统MEMS技术的不断成熟,MEMS惯性传感器得到了广泛发展,由于基于MEMS技术的惯性器件具有体积小、能耗低、机电性能好,以及可以与电路集成设计等优点,使其在对精度要求不高的民用测量领域有很好的应用前景[1]。

将MEMS器件与其它传感器进行数据融合,使基于MEMS器件的系统误差得到有效抑制[7]。

（三）国内外相关领域的应用研究及分析

全球MEMS惯性传感器的发展趋势正向两级化发展，一方面消费电子类应用、应用领域不断拓展、需求迅速提高，引来制造商不断增加，竞争加剧，单价不断下降；另一方面，军用级应用，精度不断提高，单价上升很快。

MEMS惯性传感器的发展现状是消费类产品向大规模生产发展、单价越来越低，量产后，仅售不足一美元，而军用与宇航级产品向高精度发展，一个单轴陀螺售价可在3～4千美元。

而工业级、汽车级产品更追求高品质和高可靠性，同时兼顾售价。

1.国外MEMS器件和惯性系统发展及现状

MEMS技术自从20世纪80年代出现以来引起了世界各国的高度重视,西方国家尤其是美国投入了大量的资金及研究人员进入这一领域。

美国德雷泊实验室、喷气推进实验室、利顿公司,德国LITEF公司、法国SAGEM公司、模拟器件公司及俄罗斯维克托公司等都在MEMS惯性器件、MEMSMU和低成本战术级的微型惯性和组合导航技术等方面开展了大量研究。

目前,已经研制出了多种基于MEMS技术的微型惯性传感器和微执行器。

在微型惯性传感器的基础上构建低成本、高性能的微型惯性导航系统（MEMS-INS）正成为惯性技术领域的一个研究热点[8]。

低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。

由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。

中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。

高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。

主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。

用作消费电子类的MEMS惯性传感器，主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄、因而精度要求低，甚至是功能性产品。

加速度传感器重量轻、功耗小、一般测量范围1～10g～50g，分辨率2mg～10mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1000°/h，因此有些公司的产品不给出零偏指标或给出0.1°/s～0.5°/s。

国外MEMS技术的发展已有30多年历史,其发展的特点是:

①国外现已形成三种类型的生产规模,大型企业大批量生产100万只/年以上产品;中等规模的企业生产能力为1～100万只/年;一些研究所根据特殊要求生产小批量产品,年产量在1万只产品以下[10]。

②产品功能进一步扩展和完善,MEMS器件正在向微电子部件和系统演变,不仅具有信息转换的功能,而且具有自检、自校、量程转换、远程设定和无线通讯等智能化功能,更能适应多种测量的控制需要。

③MEMS作为一种新兴的产业正处于上升期,一些开发和生产微电子机械传感器的企业在市场中和传统的传感器企业形成竞争态势。

应用量大面广的产品,如汽车、医疗等领域已形成垄断格局,中小公司根据自己的优势和市场需求组织研发和生产,如汽车用的一般精度传感器,已被Motorola,GM公司,NovaSensor和ICSensors公司垄断。

一些中小企业瞄准市场,扬长避短,发展自己,例如Integrated公司生产用于附加值高的、用于半导体设备上的高精度、耐腐蚀的压力传感器和流量传感器。

④国外MEMS的发展势头强劲,但存在研究开发和工业化规模生产之间的转化速度慢的问题。

2.国内MEMS器件和惯性系统的发展及现状

我国微机械的研究始于1989年,以跟踪国外为主。

目前在新原理器件、通用微器件、以及初步应用等方面取得了较大的进展。

20世纪90年代末,完成的混合集成单轴微机械加速度计和三轴微机械加速度计以及初步真空封装的微机械陀螺仪,在精度上满足了制导炮弹的要求。

目前,国内已有了微传感器的样机,并已取得了一些数据[11]。

最近几年以来，国内对MEMS惯性传感器的研发热度很高，而且大多集中在国内的顶尖研究机构。

据初步了解，研发加速度传感器的机构有：

哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、西安交通大学、中北大学、哈尔滨电子49所、石家庄电子13所、航天704所、重庆电子26所、重庆电子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系统所、绵阳中国工物院。

研发陀螺及组合的机构有清华大学、北京大学、西北工业大学、东南大学、南京理工大学、北京信息工程大学、长沙国防科技大学、上海交通大学、重庆电子26所、航天704所。

表1.1MEMS惯性传感器研发、制造商一览表

加速度传感器

陀螺、IMU、AHRS、VG

消费级

ADI、Invensense、ST、Freescale、SensorDynamics、MSI（ICSensor）、MEMSIC、VTI、Infline。

ADI、Knoix、ST、Infine、Methes、Murata、National上海深迪。

工业级汽车级

ADI、Silicondesign、Honeywell、MSI、VTI、Colibry、北陆电气、中星测控。

BEI、Microstrain、Crossbow、Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、Honeywell、ADI。

军工级宇航级

Honeywell、Silicondesign、Drapor、Colibry、电子26所、航天704所、九院。

BEI、Drapor、Honeywell、Xsens、Sorsonor、SSS、中星测控、电子26所、航天704所。

国内研发机构

哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、西安交通大学、中北大学、哈尔滨电子49所、石家庄电子13所、航天704所、重庆电子26所、重庆电子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系统所、绵阳中国工物院。

清华大学、北京大学、西北工业大学、东南大学、南京理工大学、北京信息工程大学、长沙国防科技大学、上海交通大学、重庆电子26所、航天704所。

3.惯性传感器未来发展要求

展望未来，MEMS惯性传感器的发展趋势主要有以下几个方面：

技术方面：

（1）精度将不断提高，以陀螺为例，有替代低精度光纤陀螺的趋势，同时提高其静态与动态测量性能,满足高精度系统的要求。

（2）提高系统工作可靠性,适应更为恶劣的工作环境。

（3）对消费类应用，更寻求进一步简化制造工艺，降低成本的趋势，通过降低其质量、体积与功耗,向微型化发展。

（4）集成化也是未来发展的趋势，不仅模块制造商走软件、硬件集成的路子，越来越多的上游芯片厂家也走集成块的技术路线。

因而不断有双轴、三轴加计、陀螺芯片问世，实现单个惯性传感器的多轴（二轴、三轴）测量。

（5）实现单个惯性传感器的多功能测量,即能同时测量载体角速率和线加速度[12]。

竞争力方面：

消费类将竞争最为惨烈，新厂家将不断涌进，比投资、比规模将是必然趋势。

上下游相互倾轧、收购、重组将会上演。

合作方面：

由于产品细分的缘故全球竞争与合作必然结果。

上游厂家希望找到下游客户，下游希望寻找合适的供应商，因而产业联盟可能出现。

应用方面：

无疑无论是消费类应用，工业级军工级应用，市场会急骤扩大，应用会越来越广泛。

1.2虚拟仪器技术发展现状

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

在此背景下，1986年美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）提出了虚拟仪器（VirtualInstrument,VI）的概念[13]。

尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为[14]：

虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统[15]。

从虚拟仪器概念提出至今,有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。

研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。

（1）各种虚拟仪器开发平台为虚拟仪器的推广应用奠定了基础

美国NI公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。

这种平台采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。

为了兼顾其他高级语言软件开发者的习惯，NI还推出了LabWindows/CVI、Componentworks等交互式开发平台[13]。

美国HP公司的HPVEE、Tektronis公司的EzTest和TekTNS以及美国HEMData公司的Snap-Marter平台软件,也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台[16]。

（2）软件工程领域的新方法新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用[17-20]

面向对象技术（ObjectOriented,OO）、ActiveX技术、组件技术（ComponentObjectModel，COM）等被广泛用来进行虚拟仪器的测试分析软件和虚拟界面（控件）软件设计,出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面板控件,这些软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件。

（3）虚拟仪器开发向标准化方向发展

在1998年9月成立了IVI（InterchangeableVirtualInstrument）基金会。

IVI基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。

目前，该组织已经制订了示波器/数字化仪、数字万用表、任意波形发生器/函数发生器、开关/多路复用器/矩阵及电源等五类仪器的规范。

IVI制订的虚拟仪器统一规范,提升了仪器驱动软件标准化水平。

（4）虚拟仪器网络化、智能化初见端倪

伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室（VirtualLaboratory）”的概念[21-22]。

目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。

在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。

（5）采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统

虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。

目前虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE1394总线（Firewire）。

美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与CompactPCI完全兼容的系统。

虚拟仪器技术是测试领域的一种新的思想和方法，它的出现是测试仪器技术和测控系统的一个新的里程碑。

它使现代测控的系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强大。

随着测量技术的方法和手段不断发展变化，测试思想的创新，计算机等的更新换代，其内涵、外延将不断丰富和扩展，从而更快地促进测试领域的更新。

1.3本文的研究内容

本文旨在为数字角速度陀螺仪设计测控系统，并利用LabVIEW编写PC机驱动和控制程序，以实现陀螺仪的转动控制和角度测试，满足角度测量和控制精度≤10°。

我们选用数字式角速率陀螺仪型号为CRS03系列。

通过使用个人电脑和LabVIEW软件设计虚拟仪器程序。

其方案为从声卡喇叭输出口输出频率可变的方波作为控制信号，经放大电路放大后输入电机驱动器来控制电机转速和旋转角度等，电机带动陀螺仪旋转。

同时利用USB口给MEMS振动陀螺供电,从声卡麦克风输入口读入陀螺角速度数据,并利用LabVIEW编程显示转速、方向（示波器显示、数字显示）。

通过分析比较输出信号与反馈信号来研究该陀螺的特性，确定其精度指标及饱和转速等。

本设计涉及MEMS传感器原理、声卡传输、电路设计、电机测控及软件Labview编程等多方面内容，整体原理框图如图1.4所示。

2测控系统基本原理

2.1CRS03简介

CRS03系列角速度传感器是用于测量运动物体角速度的微型惯性器件。

产品使用硅性MEMS技术，在剧烈冲击和震动条件下仍能保持卓越的性能。

CRS03温漂小并具有良好的重复性，用户可以很容易解决该问题。

在机器人里因使用光纤陀螺所带来的成本高和体积大等问题，因为有了CRS03的替代也会轻松解决。

CRS03主要应用于导航、汽车安全、遥控直升机、车载/船载卫星天线、航天/工业控制、安装定位架、测量仪器、船用电子罗盘补偿等。

表2.1CRS03技术参数

指标/型号

单位

CRS03-01

CRS03-02

CRS03-04

CRS03-11

注释

量程

°/s

0～±100

0～±100

0～±200

0～±573

比例因子

mV/（°/s）

20

20

10

3.49

Vdd=5.00V

供电电压

VDC

5±0.25

5±0.25

5±0.25

5±0.25

偏差

％ofVdd

50

50

50

50

比率制，近似值

零位偏差误差

mV

±60

±60

±60

±100

全温偏差稳定性

mV

±60

±60

±60

±100

全温比例因子稳定性

％

±3

±3

±3

±5

初始比例因子精度

％

±1

±1

±1

±5

非线性

％ofFS

<0.5

<0.5

<0.5

<0.5

静态噪音

mVrms

<1

<1

<1

<1

达10Hz1sigma

操作温度

℃

-40～+