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专利号: 2022110464187
申请人: 长江师范学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤1:根据黏弹性材料分数阶模型以及MEMS加速度计原理建立MEMS加速度计分数阶模型;

步骤2:对分数阶模型进行离散化,并根据分数阶微分方程性质得到MEMS加速度计加速度迭代方程;

步骤3:将MEMS加速度计置于离心机试验台,根据设定加速度变化采集MEMS加速度计输出,并记录各时刻加速度及相应的加速度计输出;

步骤4:根据步骤3采集的数据对模型的待定参数进行最优估计;

步骤5:建立MEMS加速度输入输出方程,根据输入输出方程设计非线性补偿电路实现MEMS加速度计非线性误差补偿。

2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:步骤1建立MEMS加速度计分数阶模型如下:其中t表示时间,a(t)表示随时间变化的加速度,y(t)为MEMS加速度计输出,k,y0为待定常数; 表示y(t)的α阶Caputo型分数阶微分,0<α<1,其定义为:利用离散采样数据对未知参数k,y0和α进行最优估计。

3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:步骤2得到MEMS加速度计加速度迭代方程:其中ti表示第i次采样时刻,采样间隔h=ti‑ti‑1,a(ti)为ti时刻的加速度,y(t‑ih)表示t‑ih时刻的加速度计输出,Γ(·)为伽马函数, 表示 的圆整。

4.根据权利要求3所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:步骤4中,利用布谷鸟算法辨识待定参数k,y0和α,方法如下:步骤4.1:初始化;

1)为辨识参数S{k,y0,α}产生M个鸟巢位置:Si,j=Sj,min+r0(Sj,max‑Sj,min)                       (4)其中,Si,j表示第i个鸟巢第j代位置,i=1,2,…,M,j=1,2,3,Sj,min,Sj,max表示第j维变量的下界和上界;r0∈[0,1]是一个随机数;

2)根据公式(3),利用参数Si,j{k,y0,α}及加速度计输出y(ti)解算加速度计输出估计值

3)定义目标函数为加速度测量值与估计值的均方差:从第j代M个目标函数Fit(Si,j)中选择最小的函数作为Fit(S)值,将Fit(S)值对应的鸟巢位置S{k,y0,α}保留到下一代;

步骤4.2:全局搜索;

1)根据如下公式更新鸟巢位置:

其中ξ表示步长, 代表向量点乘; 表示更新前的鸟巢位置, 表示全局搜索下的新解,即更新后的鸟巢位置;Le'vy(λ)表示步长服从Le'vy分布的随机游走;

2)分别利用更新前后鸟巢位置 和 对应的参数 和 根据公式(3),计算加速度估计值;

3)利用公式(5)分别计算参数 和 得到的加速度估计值的目标函数 和

4)按照如下公式选择目标函数 和 中小的目标函数值对应的鸟巢位置作为最优鸟巢位置 更新:

步骤4.3:局部搜索;

1)产生新的鸟巢位置:

其中, 表示 局部搜索的新解,即新的鸟巢位置, 表示当前种群中两个随机鸟巢位置,r和θ为[0,1]区间内均匀分布的随机数,H(·)表示Heaviside函数;

2)利用鸟巢位置 和 对应的参数 和 根据公式(3)得到加速度估计值,并将加速度的估计值与测量值代入公式(5)计算参数 和 的目标函数和

3)按照如下公式选择目标函数 和 中小的目标函数值对应的鸟巢位置作为最优鸟巢位置 更新:

将更新后的 作为最优位置 判断 的目标函数值是否小于阈值,如果小于阈值,* *结束迭代,得到全局最优解P即最优位置,将最优位置对应参数P{k,y0,α}作为最终辨识参数;否则,进入步骤4.2开始下一代全局搜索。

5.根据权利要求3所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:将得到的k,y0,α最优参数估计代入MEMS加速度计分数阶模型,根据分数阶微分方程拉普拉斯变换性质,得到拉普拉斯变换:其中s表示拉普拉斯算子,Y(s),A(s)分别表示y(t),a(t)的拉普拉斯变换;

将MEMS加速度计作为一个系统,加速度a(t)作为系统输入,加速度计输出y(t)作为系统输出,得到加速度计输入输出的拉普拉斯关系:

6.根据权利要求5所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:设计非线性补偿电路方法如下:MEMS加速度计输出y(t)作为补偿电路输入,补偿电路输出z(t)即为MEMS加速度计非线性误差补偿后的输出,z(t)的拉普拉斯变换为Z(s);该非线性补偿电路系统函数为h(s);A(s)与Z(s)的关系为:根据线性时不变系统性质,A(s)与Z(s)满足如下条件:其中k2为常数,表示幅度增益,常数τ表示输出相对于输入的时延;设计系统函数为:h‑sτα(s)=k2e s,并根据h(s)设计电路实现MEMS加速度计非线性误差补偿。

7.根据权利要求6所述的MEMS加速度计非线性误差补偿方法,其特征在于:根据系统函数h(s)设计电路,具体如下:α

根据α的取值,利用频率等效关系对s 进行有理化,并代入系统函数表达式;将更新后的系统函数分解为n个串联的子系统hm(s),1≤m≤n;

α

其中am,bm,cm为利用频率等效关系对s进行有理化得到的表达式常数;

根据hm(s)设计对应电路,MEMS加速度计输出y(t)作为h1(s)输入,并将h1(s),h2(s),…,hn(s)模块电路依次级联,hn(s)模块电路输出即为MEMS加速度计非线性误差补偿后的输出。