[[alternative]]A study on the gyro’s null drift and compensation for temperature variations

碩士[[abstract]]本文探討溫度效應對微機電陀螺儀漂移之影響，同時探討溫度補償之方法及效益。首先研究中利用自製之慣性量測組件執行溫度效應試驗，將慣性量測組件置於溫度控制箱內，控制溫度變化由25oC以每分鐘約0.8度的速度上升至80oC後，再下降至-40oC，最後再回升到25oC，完成一次試驗，在試驗過程中即時的量取溫度及靜態的陀螺儀輸出，以觀察溫度變化時的陀螺儀漂移現象。結果清楚顯示溫度對陀螺儀角速度零輸出電壓之影響。量測信號雜訊的特性在本研究裡也做了詳細的分析與討論。溫度補償分析方面，研究中將實驗數據利用類神經網絡之學習訓練，建立溫度與陀螺儀角速度零輸出電壓關係之類神經網絡及補償法則，最後驗證經由溫度補償後，可有效的提高飛行姿態角計算的精確度與實用性。[[abstract]]This paper discusses the MEMS gyro’s null drift, due to temperature variations, and the null drift calibration. An experiment to determine the null drift is conducted by using a temperature controlled chamber. The temperature is controlled to start from 25oC, and then increased to 80oC with an incremental rate of 0.8oC/min. After that, the temperature is decreased to -40oC. Finally, the temperature is increased back to 25oC to complete a test cycle. The temperature and null voltage for all axes are recorded. The test results clearly show the temperature influence on the gyro null drift. Noise characteristics of the measured signals are analyzed and discussed in detail in the study. A temperature calibration mechanism is established by using a neural network model. With the temperature calibration, the attitude computation problem due to gyro drifts can be improved significantly.[[tableofcontents]]目錄 I 圖目錄 III 表目錄 X 第一章 序論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法 2 1.3 文獻回顧 2 第二章 系統功能描述 5 2.1 慣性量測組件之感測元件 7 2.2 即時處理（Real time processing 8 第三章 系統硬體描述 9 3.1 微機電陀螺儀工作原理 9 3.2 陀螺儀性能參考依據 12 3.3 微控制器 13 第四章 類神經網路 15 4.1 類神經網路基本架構 15 4.1.1 倒傳遞類神經網路架構 19 4.1.2 倒傳遞類神經網路演算法 21 第五章 陀螺儀之溫度漂移測試 28 5.1 測試系統架構 28 5.2 溫度測試結果 30 5.3 漂移雜訊組成探討 34 5.4 機率密度函數（probability density function）分析 34 第六章 類神經網路補償 52 6.1 偏移量補償 52 6.2 演算法驗證之程式流程 65 第七章 結論 67 參考文獻 68 附錄Ａ 71 附錄Ｂ 142 圖目錄 圖2-1 研究室自製之慣性量測組件 6 圖2-2 慣性量測組件之三顆單軸陀螺儀之擺放 7 圖3-1 微機電陀螺儀內部振動質量基本架構[1] 10 圖4-1 神經元的基本架構 16 圖4-2 網路架構分類 19 圖4-3 倒傳遞類神經網路架構 20 圖4-4 倒傳遞類神經網路函數關係之模型 25 圖4-5 倒傳遞類神經網路演算法流程圖 27 圖5-1 溫度測試架構圖 29 圖5-2 實際測試時之照片 30 圖5-3 角速度零輸出電壓與溫度對時間的關係圖 32 圖5-4 角速度零的輸出電壓對溫度關係圖 33 圖5-5 30oC Time series1之直方圖 36 圖5-6 30oC Time series2之直方圖 36 圖5-7 30oC Time series3之直方圖 37 圖5-8 30oC Time series4之直方圖 37 圖5-9 30oC所有數據之直方圖 38 圖5-10 30oC Time series1之常態機率圖 40 圖5-11 30oC Time series2之常態機率圖 40 圖5-12 30oC Time series3之常態機率圖 41 圖5-13 30oC Time series4之常態機率圖 41 圖5-14 30oC所有數據之常態機率圖 42 圖5-15 10oC常態分佈之機率密度曲線 44 圖5-16 20oC常態分佈之機率密度曲線 45 圖5-17 30oC常態分佈之機率密度曲線 46 圖5-18 40oC常態分佈之機率密度曲線 47 圖5-19 50oC常態分佈之機率密度曲線 48 圖5-20 X、Y、Z軸之溫度對平均電壓值 49 圖5-21 X軸之平均值與標準差對溫度圖 50 圖5-22 Y軸之平均值與標準差對溫度圖 51 圖5-23 Z軸之平均值與標準差對溫度圖 51 圖6-1 倒傳遞類神經網路函數關係之模型 53 圖6-2 角速度零的輸出電壓對溫度關係圖 55 圖6-3 未經過濾波之X、Y、Z軸角速度零的輸出電壓與與靜止之三秒平均電壓值之偏差量 57 圖6-4 經濾波之X、Y、Z軸角速度零的輸出電壓與靜止之三秒平均電壓值之偏差量 58 圖6-5 經二階多項式擬合補償之後的電壓值 60 圖6-6 經類神經網路溫度補償之後的電壓值 61 圖6-7 由原始資料計算之姿態 62 圖6-8 二階多項式擬合補償資料所計算之姿態 63 圖6-9 類神經網路溫度補償資料所計算之姿態 64 圖6-10 演算法驗證之程式流程圖 66 附圖1 X軸-35oC之機率密度函數曲線 71 附圖2 X軸-30oC之機率密度函數曲線 72 附圖3 X軸-25oC之機率密度函數曲線 73 附圖4 X軸-20oC之機率密度函數曲線 74 附圖5 X軸-15oC之機率密度函數曲線 75 附圖6 X軸-10oC之機率密度函數曲線 76 附圖7 X軸-5oC之機率密度函數曲線 77 附圖8 X軸0oC之機率密度函數曲線 78 附圖9 X軸5oC之機率密度函數曲線 79 附圖10 X軸10oC之機率密度函數曲線 80 附圖11 X軸15oC之機率密度函數曲線 81 附圖12 X軸20oC之機率密度函數曲線 82 附圖13 X軸25oC之機率密度函數曲線 83 附圖14 X軸30oC之機率密度函數曲線 84 附圖15 X軸35oC之機率密度函數曲線 85 附圖16 X軸40oC之機率密度函數曲線 86 附圖17 X軸45oC之機率密度函數曲線 87 附圖18 X軸50oC之機率密度函數曲線 88 附圖19 X軸55oC之機率密度函數曲線 89 附圖20 X軸60oC之機率密度函數曲線 90 附圖21 X軸65oC之機率密度函數曲線 91 附圖22 X軸70oC之機率密度函數曲線 92 附圖23 X軸75oC之機率密度函數曲線 93 附圖24 X軸80oC之機率密度函數曲線 94 附圖25 Y軸-35oC之機率密度函數曲線 95 附圖26 Y軸-30oC之機率密度函數曲線 96 附圖27 Y軸-25oC之機率密度函數曲線 97 附圖28 Y軸-20oC之機率密度函數曲線 98 附圖29 Y軸-15oC之機率密度函數曲線 99 附圖30 Y軸-10oC之機率密度函數曲線 100 附圖31 Y軸-5oC之機率密度函數曲線 101 附圖32 Y軸0oC之機率密度函數曲線 102 附圖33 Y軸5oC之機率密度函數曲線 103 附圖34 Y軸10oC之機率密度函數曲線 104 附圖35 Y軸15oC之機率密度函數曲線 105 附圖36 Y軸20oC之機率密度函數曲線 106 附圖37 Y軸25oC之機率密度函數曲線 107 附圖38 Y軸30oC之機率密度函數曲線 108 附圖39 Y軸35oC之機率密度函數曲線 109 附圖40 Y軸40oC之機率密度函數曲線 110 附圖41 Y軸45oC之機率密度函數曲線 111 附圖42 Y軸50oC之機率密度函數曲線 112 附圖43 Y軸55oC之機率密度函數曲線 113 附圖44 Y軸60oC之機率密度函數曲線 114 附圖45 Y軸65oC之機率密度函數曲線 115 附圖46 Y軸70oC之機率密度函數曲線 116 附圖47 Y軸75oC之機率密度函數曲線 117 附圖48 Y軸80oC之機率密度函數曲線 118 附圖49 Z軸-35oC之機率密度函數曲線 119 附圖50 Z軸-30oC之機率密度函數曲線 120 附圖51 Z軸-25oC之機率密度函數曲線 121 附圖52 Z軸-20oC之機率密度函數曲線 122 附圖53 Z軸-15oC之機率密度函數曲線 123 附圖54 Z軸-10oC之機率密度函數曲線 124 附圖55 Z軸-5oC之機率密度函數曲線 125 附圖56 Z軸0oC之機率密度函數曲線 126 附圖57 Z軸5oC之機率密度函數曲線 127 附圖58 Z軸10oC之機率密度函數曲線 128 附圖59 Z軸15oC之機率密度函數曲線 129 附圖60 Z軸20oC之機率密度函數曲線 130 附圖61 Z軸25oC之機率密度函數曲線 131 附圖62 Z軸30oC之機率密度函數曲線 132 附圖63 Z軸35oC之機率密度函數曲線 133 附圖64 Z軸40oC之機率密度函數曲線 134 附圖65 Z軸45oC之機率密度函數曲線 135 附圖66 Z軸50oC之機率密度函數曲線 136 附圖67 Z軸55oC之機率密度函數曲線 137 附圖68 Z軸60oC之機率密度函數曲線 138 附圖69 Z軸65oC之機率密度函數曲線 139 附圖70 Z軸70oC之機率密度函數曲線 140 附圖71 Z軸75oC之機率密度函數曲線 141 表目錄 表5-1 10oC之平均值與標準差 44 表5-2 20oC之平均值與標準差 45 表5-3 30oC之平均值與標準差 46 表5-4 40oC之平均值與標準差 47 表5-5 50oC之平均值與標準差 48 附表1 X軸-35oC之平均值與標準差 71 附表2 X軸-30oC之平均值與標準差 72 附表3 X軸-25oC之平均值與標準差 73 附表4 X軸-20oC之平均值與標準差 74 附表5 X軸-15oC之平均值與標準差 75 附表6 X軸-10oC之平均值與標準差 76 附表7 X軸-5oC之平均值與標準差 77 附表8 X軸0oC之平均值與標準差 78 附表9 X軸5oC之平均值與標準差 79 附表10 X軸10oC之平均值與標準差 80 附表11 X軸15oC之平均值與標準差 81 附表12 X軸20oC之平均值與標準差 82 附表13 X軸25oC之平均值與標準差 83 附表14 X軸30oC之平均值與標準差 84 附表15 X軸35oC之平均值與標準差 85 附表16 X軸40oC之平均值與標準差 86 附表17 X軸45oC之平均值與標準差 87 附表18 X軸50oC之平均值與標準差 88 附表19 X軸55oC之平均值與標準差 89 附表20 X軸60oC之平均值與標準差 90 附表21 X軸65oC之平均值與標準差 91 附表22 X軸70oC之平均值與標準差 92 附表23 X軸75oC之平均值與標準差 93 附表24 X軸80oC之平均值與標準差 94 附表25 Ｙ軸-35oC之平均值與標準差 95 附表26 Ｙ軸-30oC之平均值與標準差 96 附表27 Ｙ軸-25oC之平均值與標準差 97 附表28 Ｙ軸-20oC之平均值與標準差 98 附表29 Ｙ軸-15oC之平均值與標準差 99 附表30 Ｙ軸-10oC之平均值與標準差 100 附表31 Ｙ軸-5oC之平均值與標準差 101 附表32 Ｙ軸0oC之平均值與標準差 102 附表33 Ｙ軸5oC之平均值與標準差 103 附表34 Ｙ軸10oC之平均值與標準差 104 附表35 Ｙ軸15oC之平均值與標準差 105 附表36 Ｙ軸20oC之平均值與標準差 106 附表37 Ｙ軸25oC之平均值與標準差 107 附表38 Ｙ軸30oC之平均值與標準差 108 附表39 Ｙ軸35oC之平均值與標準差 109 附表40 Ｙ軸40oC之平均值與標準差 110 附表41 Ｙ軸45oC之平均值與標準差 111 附表42 Ｙ軸50oC之平均值與標準差 112 附表43 Ｙ軸55oC之平均值與標準差 113 附表44 Ｙ軸60oC之平均值與標準差 114 附表45 Ｙ軸65oC之平均值與標準差 115 附表46 Ｙ軸70oC之平均值與標準差 116 附表47 Ｙ軸75oC之平均值與標準差 117 附表48 Ｙ軸80oC之平均值與標準差 118 附表49 Ｚ軸-35oC之平均值與標準差 119 附表50 Ｚ軸-30oC之平均值與標準差 120 附表51 Ｚ軸-25oC之平均值與標準差 121 附表52 Ｚ軸-20oC之平均值與標準差 122 附表53 Ｚ軸-15oC之平均值與標準差 123 附表54 Ｚ軸-10oC之平均值與標準差 124 附表55 Ｚ軸-5oC之平均值與標準差 125 附表56 Ｚ軸0oC之平均值與標準差 126 附表57 Ｚ軸5oC之平均值與標準差 127 附表58 Ｚ軸10oC之平均值與標準差 128 附表59 Ｚ軸15oC之平均值與標準差 129 附表60 Ｚ軸20oC之平均值與標準差 130 附表61 Ｚ軸25oC之平均值與標準差 131 附表62 Ｚ軸30oC之平均值與標準差 132 附表63 Ｚ軸35oC之平均值與標準差 133 附表64 Ｚ軸40oC之平均值與標準差 134 附表65 Ｚ軸65oC之平均值與標準差 135 附表66 Ｚ軸50oC之平均值與標準差 136 附表67 Ｚ軸55oC之平均值與標準差 137 附表68 Ｚ軸60oC之平均值與標準差 138 附表69 Ｚ軸65oC之平均值與標準差 139 附表70 Ｚ軸70oC之平均值與標準差 140 附表71 Ｚ軸75oC之平均值與標準差 141[[note]]學號: 697430923, 學年度: 9