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。

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.

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

[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。
[2]張明宇，“微機電慣性量測組件設計驗證及整合導航運算之研究”，淡江大學航空太空工程研究所碩士論文，民國99年。
[3]N. Yazdi, F, Ayazi, and K. Najafi, “Micromachined Inertial Sensors”, Proc. IEEE, pp.1640-1659, 1998.
[4]H. Chung, L. Ojeda, and J. Borenstein, “Accurate Mobile Robot Dead-reckoning with a Precision-calibrated Fiber Optic Gyroscope”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 17(1), pp.80-84, 2001.
[5]S. K. Hong, “Compensation of Nonlinear Thermal Bias Drift of Resonant Rate Sensor (RRS) using Fuzzy Logic”, Sensors and Actuators A-Physical, 78(2), pp.143-148, 1999.
[6]J. Skaloud, A. M. Bruton, and K. P. Schwarz, “Detection and Filtering of Short-Term noise in Inertial Sensors” , Journal of the Institute of Navigation, 46(2), pp. 97-107, 1999.
[7]S. K. Hong, “Fuzzy Logic based Closed-Loop Strapdown Attitude System for Unmanned Aerial Vehicle (UAV)”, Sensors and Actuators A-Physical, 107(1), pp.109-118, 2003.
[8]Stilwell, D.J., Wick, C.E., Bishop, B.E., “Small Inertial Sensors for a Miniature Autonomous Underwater Vehicle”, Proc. of IEEE International Conference on Control Applications, Mexico, Sept. 2001, pp. 841—846.
[9]F. Sun, C. Luo, and Q. Nie, “Research on Modeling and Compensation Method of Fiber Optic Gyro’ RandomError”, Proc. of IEEE Conference on Mechatronics and Automation, Canada, July 2005, pp. 461—465.
[10]Ji, X., S. Wang, Y. Xu, Q. Shi, and D. Xia, “Application of the Digital Signal Procession in the MEMS Gyroscope De-drift”, IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. 2006.
[11]Zhihao Shao, Xusheng Lei, Diansheng Chen, “A gyro drift error compensation algorithm for a small unmanned aerial vehicle system”, IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control, Okayama, Japan, March 26-29, 2009.
[12]周鵬程，“類神經網路入門：活用Matlab”，第二版，全華科技圖書股份有限公司，民國93年。
[13]ADXL335 Small and Low Power, 3-Axis ±3g Accelerometer Data Sheet, Analog Devices, Inc., 2008.
[14]ADXRS150   Single Chip Yaw Rate Gyro with Signal Conditioning Data Sheet, Analog Devices, Inc., 2004.
[15]Bernard Friedland, Maurice F. Hutton, “Theory and Error Analysis of Vibrating-Member Gyroscope”, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC-23, No. 4, August 1978.
[16]莊智清，黃國興，電子導航，全華科技圖書股份有限公司，民國90年。
[17]林清一，數位航空電子系統，全華科技圖書股份有限公司，民國94年。
[18]PIC18F2523 Data Sheet, Microchip, Inc., 2007.
[19]行政院國科會精儀中心，“微機電系統技術與應用”，初版，國科會精儀中心，pp 505-519，民國92年。