秦 麗 ，石璽文 ，李 杰 ，黃玉崗 ，何蘊澤

（1.中北大學 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051）

MEMS加速度計作為慣性導航系統(tǒng)的重要部件之一，在海陸空導航、定位系統(tǒng)中具有不可替代的作用。然而由于MEMS加速度計本身結(jié)構(gòu)材料的特殊性，在環(huán)境因素改變時，加速度計輸出將產(chǎn)生誤差[1-4]。影響慣性器件精度的諸多環(huán)境因素中，環(huán)境溫度的影響不容忽視。在應(yīng)用環(huán)境下，溫度的影響會引起加速度計的參數(shù)漂移，具體表現(xiàn)為零偏與標度因數(shù)的變化，進而對整個慣導系統(tǒng)的精度產(chǎn)生嚴重影響。為了有效抑制溫度對MEMS加速度計的影響，目前實用性較強的方法大致劃歸為2種：一種方法是硬件控制，另一種方法是軟件補償[5]。

針對第二種方法，本文以MEMS電容式加速度計MS9010為例，設(shè)計了溫度建模的試驗方案，對其在不同溫度下輸出的數(shù)據(jù)進行分析，從而建立溫度補償模型，最后利用此模型對其輸出進行補償[6-8]，驗證了所建模型的可行性和有效性。

1 MS9010加速度計

MS9010是由瑞士Colibrys公司研發(fā)生產(chǎn)的單軸模擬輸出的加速度計，測量范圍為±10 g，供電范圍采用5 V供電，輸出介于0.5 V～4.5 V之間。其內(nèi)部集成有溫度傳感器，可以為加速度計的輸出進行溫度校準，以進一步改善其溫度特性。

為了獲取MS9010當前工作的環(huán)境溫度，需要對內(nèi)置溫度傳感器進行前期標校。溫度傳感器的數(shù)學模型如下：

式中：uT為溫度傳感器的輸出電壓，V；T為環(huán)境溫度，℃；u0和k為待定系數(shù)。為了確定u0和k的值，將加速度計放置在高低溫箱中，設(shè)置環(huán)境溫度分別為-20℃，-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，待溫度穩(wěn)定后采集MS9010輸出的溫度電壓值，對輸出電壓進行最小二乘直線擬合即可，結(jié)果為u0=1.859 V，k=-11.287 mV/℃。擬合圖形如圖1所示。

圖1 溫度傳感器標校結(jié)果Fig.1 Temperature sensor calibration results

2 溫度誤差初步分析

在以往的試驗中發(fā)現(xiàn)，MEMS加速度計都有一定的啟動穩(wěn)定時間，圖2所示為MS9010在靜止條件下開始1 min內(nèi)的零位輸出數(shù)據(jù)，可以看出加速度計的輸出呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。根據(jù)輸出數(shù)據(jù)初步推測，當啟動開始階段，加速度計本身和調(diào)理電路板的溫度變化可能導致加速度計輸出變化。本文就通過數(shù)學建模和溫變試驗來驗證溫度對加速度計的輸出是有一定影響的。

圖2 MEMS加速度計零位輸出漂移圖Fig.2 MEMS accelerometer zero output drift map

3 溫度模型建立

溫度對加速度計輸出的影響機理十分復雜，但主要表現(xiàn)為零偏和標度因數(shù)2個參數(shù)隨溫度的變化，因此下面主要從零偏和標度因數(shù)分開建模入手，最終建立加速度計的輸出補償模型[10-13]。

加速度計的靜態(tài)數(shù)學模型方程如式（2）所示，根據(jù)加速度計電壓輸出Uout求出真正的加速度值ai為

參考相關(guān)文獻對零偏和標度因數(shù)的建模分析，建立U0和K1的溫度模型：

式中：T為環(huán)境溫度，可以由溫度傳感器測量得到；K00、K01、K10、K11為待定系數(shù)。

綜合以上各參數(shù)的關(guān)系，建立的輸出補償模型為

4 試驗方案設(shè)計及步驟

為了求得式（4）中的未知參數(shù)，基于實驗室現(xiàn)有的設(shè)備，設(shè)計如下試驗方案。試驗在三軸位置速率溫控轉(zhuǎn)臺里進行，可以改變加速度計的敏感位置，提供給加速度計不同的工作環(huán)境溫度。

步驟1將MS9010加速度計安裝于轉(zhuǎn)臺臺面中心，并將其連接至采集系統(tǒng)（采集系統(tǒng)有6個通道，最多可以連接6個加速度計，以減少試驗結(jié)果的隨機性）；

步驟2設(shè)置溫控轉(zhuǎn)臺溫度為-20℃，待溫度穩(wěn)定后，控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動 0°，90°，180°，270°，使得加速度計分別敏感 0 g，+1 g，0 g，-1 g， 采集每個位置MS9010輸出的加速度信息和溫度信息；

步驟3依次設(shè)置溫控轉(zhuǎn)臺溫度為-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，重復步驟 2中的操作；

步驟4讀取采集系統(tǒng)中存儲的信息，經(jīng)上位機軟件分離后，利用Matlab軟件計算不同溫度下加速度計的零偏和標度因數(shù)。

本試驗系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)組成Fig.3 Diagram of experiment system

5 試驗驗證

根據(jù)所確定的試驗方案，對文中第2部分所建的輸出補償模型進行參數(shù)標定試驗，對加速度計在不同溫度下的零偏和標度因數(shù)分別進行最小二乘直線擬合，得到模型中待標定的未知參數(shù)，結(jié)果如表1、圖4、圖5所示，由此可以確定溫度對加速度計的零偏和標度因數(shù)會產(chǎn)生較為明顯的影響，以上分析基本正確。

表1 參數(shù)辨識結(jié)果Tab.1 Parameter identification results

圖4 零偏-溫度擬合圖形Fig.4 Zero bias-temperature fitting graphics

圖5 標度因數(shù)-溫度擬合圖形Fig.5 Scale factor-temperature fitting graphics

將上述求得的未知參數(shù)代入到輸出補償模型，對加速度計在不同溫度下±1 g的測量值按式（4）進行補償，以驗證加速度計輸出補償模型的可行性和有效性，補償前的零偏和標度因數(shù)按20℃的參數(shù)作為標準，按式（2）計算。補償前后加速度計的測量值ai的結(jié)果如圖6所示，可以很明顯地看出補償前加速度計測量值隨溫度的變化有明顯的上升趨勢，經(jīng)過補償后加速度計測量值隨溫度變化的趨勢較為平緩。分析補償前后的數(shù)據(jù)，在+1 g位置時全溫溫度范圍內(nèi)加速度測量誤差由0.0266 g減小到0.0137 g；在-1 g位置時全溫溫度范圍內(nèi)加速度測量誤差由0.0140 g減小到0.0086 g，結(jié)合圖形可以看出補償效果明顯，證明了MEMS加速度計溫度模型的可行性。

圖6 溫度補償前后對比Fig.6 Before and after comparison of temperature compensation

6 結(jié)語

本文在分析建模原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計溫變試驗，充分利用MS9010內(nèi)置的溫度傳感器，使用溫控轉(zhuǎn)臺對加速度計的零偏和標度因數(shù)2個參數(shù)進行溫度建模，最終建立加速度計溫度輸出補償模型，并利用此模型對加速度計在不同溫度下±1 g的輸出進行補償。補償結(jié)果證明，所建立的模型能夠有效降低溫度對MEMS加速度計輸出的影響，為后續(xù)精確的導航解算提供理論基礎(chǔ)，也為其工程實用性提供一定的參考價值。

[1]劉俊，石云波，李杰.微慣性技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]鄭長勇，陳軍寧.一種新型MEMS加速度計溫度補償方法研究[J].傳感技術(shù)學報，2015，28（1）：39-42.

[3]李文燕，郭濤，徐香菊.MEMS高量程微加速度計溫度補償?shù)脑O(shè)計[J].計算機測量與控制，2012，20（10）：2857-2859.

[4]邢馨婷，熊磊，趙君轍，等.加速度計溫度補償方法[J].計測技術(shù)，2008（1）：51-52，56.

[5]張鵬飛，王宇，龍興武，等.加速度計溫度補償模型的研究[J].傳感技術(shù)學報，2007，20（5）：1012-1016.

[6]Li T，Liu Y，Dong J，et al.Temperature characteristics of micro accelerometers with constant temperature chip sensor[J].Qinghua Daxue Xuebao/JournalofTsinghua University，2010，50 （7）：1013-1017.

[7]王玉良，夏敦柱.基于FPGA的硅微陀螺儀零偏溫度補償系統(tǒng)的研究[J].計算機與數(shù)字工程，2009，37（6）：181-184.

[8]Lee J，Rhim J.Temperature compensation method for the resonant frequency of a differential vibrating accelerometer using electrostatic stiffness control[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2012，22（9）：1-11.

[9]張宇飛，屈建龍，宋超，等.石英撓性加速度計溫度建模和補償[J].中國慣性技術(shù)學報，2009，17（3）：356-359.

[10]Qiang D，Gang J，Wei S，et al.Relationship between temperature drift and thermal expansion of sensing structure in sandwich micro-accelerometer[J].Micro and Nanosystems，2014，6（1）：50-54.

[11]許德新，何昆鵬，梁海波.MEMS慣性測量組件的溫度誤差補償模型研究[J].哈爾濱工程大學學報，2010，31（5）：607-613.

[12]張麗杰，常佶.一種MEMS加速度計溫度模型辨識及溫度補償方法[J].傳感技術(shù)學報，2011，24（11）：1551-1555.

[13]魏澤松，張嘉易，郝永平，等.溫度對IMU微機械陀螺儀零偏影響及標定補償[J].國外電子測量技術(shù)，2011，30（1）：9-13.

三部委聯(lián)合印發(fā)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

4月6日從工信部獲悉，工信部、發(fā)改委、財政部等三部委近日聯(lián)合印發(fā)了《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，引導我國機器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展。

《規(guī)劃》提出了產(chǎn)業(yè)發(fā)展五年總體目標：形成較為完善的機器人產(chǎn)業(yè)體系。技術(shù)創(chuàng)新能力和國際競爭能力明顯增強，產(chǎn)品性能和質(zhì)量達到國際同類水平，關(guān)鍵零部件取得重大突破，基本滿足市場需求。并從產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長、技術(shù)水平顯著提升、關(guān)鍵零部件取得重大突破、集成應(yīng)用取得顯著成效等四個方面提出了具體目標。

《規(guī)劃》提出了五項主要任務(wù)。一是推進重大標志性產(chǎn)品率先突破，聚焦智能制造、智能物流，面向智慧生活、現(xiàn)代服務(wù)、特殊作業(yè)等方面的需求，突破弧焊機器人、真空（潔凈）機器人、全自主編程智能工業(yè)機器人、人機協(xié)作機器人、雙臂機器人、重載AGV、消防救援機器人、手術(shù)機器人、智能型公共服務(wù)機器人、智能護理機器人十大標志性產(chǎn)品；二是大力發(fā)展機器人關(guān)鍵零部件，全面突破高精密減速器、高性能伺服電機和驅(qū)動器、高性能控制器、傳感器和末端執(zhí)行器等五大關(guān)鍵零部件。三是強化產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力，加強機器人共性關(guān)鍵技術(shù)研究和標準體系建設(shè)、建立機器人創(chuàng)新中心、建設(shè)國家機器人檢測評定中心。四是著力推進應(yīng)用示范，圍繞制造業(yè)重點領(lǐng)域?qū)嵤?yīng)用示范工程，針對工業(yè)領(lǐng)域以及救災(zāi)救援、醫(yī)療康復等服務(wù)領(lǐng)域，開展細分行業(yè)推廣應(yīng)用，培育重點領(lǐng)域機器人應(yīng)用系統(tǒng)集成商及綜合解決方案服務(wù)商。五是積極培育龍頭企業(yè)，支持互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與傳統(tǒng)機器人企業(yè)跨界融合，以龍頭企業(yè)為引領(lǐng)形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，帶動中小企業(yè)向“專、精、特、新”方向發(fā)展，形成全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的局面。

《規(guī)劃》提出了六項政策措施。一是加強統(tǒng)籌規(guī)劃和資源整合，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各部門資源和力量，加強對區(qū)域產(chǎn)業(yè)政策的指導，引導機器人產(chǎn)業(yè)鏈及生產(chǎn)要素的集中集聚。二是加大財稅支持力度，利用中央財政科技計劃、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、中央基建投資、首臺（套）重大技術(shù)裝備保險補償機制等政策措施支持機器人及其關(guān)鍵零部件研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。三是拓寬投融資渠道，支持符合條件的機器人企業(yè)直接融資和并購；引導金融機構(gòu)創(chuàng)新符合機器人產(chǎn)業(yè)鏈特點的產(chǎn)品和業(yè)務(wù)，推廣機器人租賃模式。四是營造良好的市場環(huán)境，制定工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)范條件，促進各項資源向優(yōu)勢企業(yè)集中；研究制訂機器人認證采信制度。五是加強人才隊伍建設(shè)，組織實施機器人產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃，加強機器人專業(yè)學科建設(shè)，加大機器人職業(yè)培訓教育力度。六是擴大國際交流與合作，充分利用政府、行業(yè)組織、企業(yè)等多渠道、多層次地開展技術(shù)、標準、知識產(chǎn)權(quán)、檢測認證等方面的國際交流與合作。