题目：新型硅MEMS陀螺仪和角加速度计结构设计及MIMU误差标定补偿

基于硅材料和微机电系统（Micro-Electromechanical Systems, MEMS）技术的惯性器件及微小型惯性测量单元（Micro-Inertial Measurement Unit, MIMU）具有成本低、体积小等优点，但目前精度较低，因此研制高性能硅MEMS惯性器件以及MIMU部件是实现高性能微小型导航、制导与控制（Micro Guidance Navigation and Control, MGNC）系统的关键技术，已成为微小型惯性导航技术的重要研究方向之一，其中提高硅MEMS惯性器件表头结构性能、信号检测精度以及MIMU测量精度仍是当前面临的技术难题。本文针对以上技术难题开展了新型硅MEMS陀螺仪和角加速度计结构设计及MIMU误差标定补偿方法研究。提出了一种可消除共模加速度误差的基于双质量块新型调谐输出式硅MEMS陀螺仪结构设计方案；提出了一种可测量高动态角加速度的新型力平衡扭摆式硅MEMS角加速度计结构设计方案；建立了硅MEMS陀螺仪改进的高精度静态、动态以及温度误差模型，提出了十位置静态误差标定和标度因数分段线性插值补偿方法；研制了高性能MIMU样机，提出了MIMU六位置正反速率高精度误差标定方法。论文主要创新成果如下：1、针对单质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪无法消除共模加速度误差的不足，依据杠杆差分原理，提出了一种可消除共模加速度误差的基于双质量块新型调谐输出式硅MEMS陀螺仪结构设计方案，该方案采用双质量块拓扑结构分离了干扰加速度引起的惯性力和哥氏力之间的耦合，消除了外界共模加速度误差。设计了双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪表头结构，有限元仿真验证了结构设计的正确性，仿真结果表明该陀螺仪有效减小了共模加速度误差。研制了该陀螺仪表头结构芯片，实验结果验证了改进型陀螺仪质量块谐振频率理论分析的正确性。2、针对开环轮式硅MEMS角加速度计动态性能差的不足，应用扭摆敏感角加速度引起扭转角位移的原理，提出了一种可测量高动态角加速度的新型力平衡扭摆式硅MEMS角加速度计结构设计方案，利用静电力反馈闭环回路，提高了器件动态性能。设计了扭摆式硅MEMS角加速度计表头结构，通过有限元仿真验证了该角加速度计结构设计的正确性。研制了该角加速度计表头结构芯片，电容检测实验验证了叉齿电容理论分析的正确性。3、针对硅MEMS陀螺仪精度低的问题，以内框架驱动式硅MEMS陀螺仪为对象，采用理论结合实验分析方法，提出了一种硅MEMS陀螺仪改进静态误差模型，设计了十位置静态误差标定方法，减小了硅MEMS陀螺仪静态误差；在内框架驱动式硅MEMS陀螺仪动态误差机理分析的基础上，提出了硅MEMS陀螺仪标度因数分段线性插值补偿方法，提高了硅MEMS陀螺仪动态测量精度；通过分析内框架驱动式硅MEMS陀螺仪温度误差形成机理，提出了硅MEMS陀螺仪组合温度误差模型，减小了陀螺仪温度误差。实验结果表明利用上述误差模型有效地提高了硅MEMS陀螺仪测量精度，验证了误差模型的正确性。4、针对传统的静态多位置标定和动态速率标定方法的不足，提出了一种基于无需指北单轴速率转台的MIMU六位置正反速率高精度误差标定方法，利用转台速率激励信息和重力加速度信息精确标定出MIMU误差模型中的33个误差系数。实验验证了该标定方法的有效性，实验结果表明，该标定方法提高了MIMU角速度通道和加速度通道测量精度，降低了对标定设备的要求，减小了标定工作量。利用该误差标定方法，自主研制的MIMU满足了小型无人机自主飞行任务需求。