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系統識別號 U0002-0508201009574200
中文論文名稱 溫度效應之陀螺儀漂移與補償研究
英文論文名稱 A Study on the Gyro’s Null Drift and Compensation for Temperature Variations
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 黃辰宣
研究生英文姓名 Chen-Xuan Huang
學號 697430923
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-23
論文頁數 152頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-馬德明
委員-周明
中文關鍵字 陀螺儀漂移  溫度補償  類神經網絡 
英文關鍵字 gyroscope drift  temperature compensation  artificial neural networks 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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

參考文獻 [1]吳宗興,“以微機電系統為基礎之飛行資訊量測組件設計與製作”,淡江大學航空太空工程研究所碩士論文,民國97年。
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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2010-08-10公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2010-08-10起公開。


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