基于PSO優(yōu)化SVM的MEMS加速度計(jì)溫度補(bǔ)償方法研究
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1、基于PSO優(yōu)化SVM的MEMS加速度計(jì)溫度補(bǔ)償方法研究 劉滔徐大誠趙鶴鳴摘要:溫度對MEMS加速度計(jì)性能的影響至關(guān)重要。結(jié)合扭擺式硅微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)及溫度特性,采用基于自適應(yīng)權(quán)重的粒子群優(yōu)化算法來優(yōu)化支持向量機(jī)算法,創(chuàng)立MEMS加速度計(jì)溫度補(bǔ)償模型,并利用STM32F405RG64實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,補(bǔ)償后加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)、全溫零偏極差、非線性度分別由補(bǔ)償前的264ppm/℃,71.98mg,2.07%降低到105ppm/℃,10.31mg,0.25%,可見補(bǔ)償后加速度計(jì)的性能得到比較明顯的改進(jìn),能證明該方法的有效性和可行性。關(guān)鍵詞:MEMS加速度計(jì);扭擺式硅微加
2、速度計(jì);粒子群優(yōu)化算法;自適應(yīng)權(quán)重;支持向量機(jī);溫度補(bǔ)償中圖分類號:TN37+3?34;U666.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004?373X〔2021〕10?0058??accelerometer,anadaptiveweightbasedparticleswarmoptimization〔AW??timetemperaturecompensationsystem.Theexperimentalresultsshowthataftercompensation,thescalefactortemperaturecoefficient,full?temperaturezerobiasrangea
3、ndnon?linearityoftheaccelerometerarereducedfrom264ppm/℃,71.98mgand2.07%beforecompensationto105ppm/℃,10.31mgand0.25%respectively,whichindicatesthataftercompensation,theaccelerometerperformanceisobviouslyimproved,andtheeffectivenessandfeasibilityofthemethodaredemonstrated.Keywords:MEMSaccelerometer;pe
4、nduloussiliconmicro?accelerometer;PSO;adaptiveweight;SVM;temperaturecompensation0引言MEMS〔MicroElectronicMechanicalSystems〕加速度計(jì)是用來測量運(yùn)動物體加速度的傳感器,被廣泛應(yīng)用于航空航天、智能 、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域【1】。由于MEMS加速度計(jì)是硅材料制作,其性能易受溫度影響,導(dǎo)致器件精度下降【2】。因此,必須采取合理的措施減小溫度變化造成的不良影響。常用的溫度補(bǔ)償方法有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償通過改善MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、制造工藝等來提高性能與精度[3?4],軟
5、件補(bǔ)償采用加速度計(jì)結(jié)構(gòu)輸出信號相關(guān)數(shù)字電路系統(tǒng)中的補(bǔ)償算法來提升性能[5?7]。在分析扭擺式硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的根底上,通過研究多項(xiàng)式擬合【5】、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)【6】、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)【7】、支持向量機(jī)〔SupportVectorMachine,SVM〕[8]等相關(guān)計(jì)算方法,構(gòu)建加速度計(jì)的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化模型相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度性能的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。將自適應(yīng)權(quán)重的粒子群優(yōu)化算法〔AdaptiveWeightParticleSwarmOptimization,AW?PSO〕用于SVM的模型參數(shù)選取,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償,減小了溫度變化對加速度計(jì)零偏、標(biāo)度因數(shù)、非線性度等參數(shù)的影響。1扭擺式硅微加速度計(jì)1
6、.1扭擺式硅微加速度計(jì)原理與結(jié)構(gòu)扭擺式硅微加速度計(jì)通常由敏感質(zhì)量塊、敏感電極、支撐梁和錨點(diǎn)等局部構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。3基于PSO的SVM參數(shù)優(yōu)化方法在SVM回歸模型中,懲罰參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)σ對系統(tǒng)的性能影響很大。SVM的參數(shù)選取過程相當(dāng)于一個(gè)最優(yōu)化過程,對搜索空間的每一個(gè)點(diǎn)都可能是最正確解,因此找出其泛化誤差最小的點(diǎn)即可得到最優(yōu)解。使用PSO優(yōu)化SVM的參數(shù)選擇可以有效提高參數(shù)尋優(yōu)能力。3.2AW?PSO優(yōu)化SVM根據(jù)之前的描述,AW?PSO優(yōu)化SVM的步驟如下:1〕初始化PSO算法參數(shù)。包括SVM懲罰參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)[σ]等的范圍設(shè)定;種群規(guī)模;粒子初始位置和速度;個(gè)體極值[p
7、i]和全局極值[pg]。2〕根據(jù)式〔15〕、式〔16〕更新慣性權(quán)重[ω]。3〕按式〔13〕、式〔14〕更新粒子的位置和速度。4〕以回歸的均方誤差作為適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算各個(gè)粒子的適應(yīng)度并記錄個(gè)體最優(yōu)Pbest和全局最優(yōu)Gbest。5〕判斷是否滿足終止條件,滿足條件那么輸出結(jié)果,否那么跳轉(zhuǎn)步驟2。4基于STM32F4的實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本文采用帶有溫度信號輸出的硅微扭擺式加速度計(jì)HD6068,量程為[30g],工作頻率為0~1kHz。加速度計(jì)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)搭建于STM32F4平臺微處理器上,系統(tǒng)框圖如圖2所示。補(bǔ)償系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。補(bǔ)償系統(tǒng)協(xié)處理器采用一款高性能32位ARM處理器STM32
8、F405RG64,A/D模塊采用24位AD7190。補(bǔ)償系統(tǒng)工作時(shí),加速度計(jì)輸出兩路電壓信號[Va],[VT]分別為加速度值和溫度值,STM32通過ADC模塊采集兩路信號,調(diào)用保存在外部FLASH中的SVM模型參數(shù),將模型參數(shù)和采集到的溫度值、加速度測量值代入到SVM加速度計(jì)溫度模型式〔10〕中,計(jì)算出補(bǔ)償后的加速度值[a′],將補(bǔ)償后的加速度值代入式〔12〕得到補(bǔ)償后電壓[V′a],通過DAC芯片輸出[V′a]實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。5系統(tǒng)測試5.1性能測試系統(tǒng)為了驗(yàn)證系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償效果,可以通過對加速度計(jì)進(jìn)行全溫實(shí)驗(yàn),比較補(bǔ)償前后的幾個(gè)性能參數(shù)的值。測試系統(tǒng)由加速度計(jì)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和離心機(jī)測試系統(tǒng)
9、組成。工控離心機(jī)測試系統(tǒng)為包括轉(zhuǎn)臺和溫箱兩局部,通過工控機(jī)設(shè)置溫箱溫度和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速以提供所需的溫度和加速度。系統(tǒng)框圖如圖4所示,圖5為測試系統(tǒng)現(xiàn)場圖。根據(jù)需求,可通過工控機(jī)控制溫箱和轉(zhuǎn)臺在-40~60℃溫度下,轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺提供-30~30g的加速度以完成全溫性能測試。5.2測試結(jié)果加速度計(jì)的主要性能參數(shù)[14]主要包括各溫度下的標(biāo)度因數(shù)[SFi]、標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)[SFT]、全溫零偏極差[ΔBmax]、全溫零偏穩(wěn)定性[σB]和非線性度NL。全溫測試時(shí),設(shè)置溫箱從-40℃以10℃間隔升高到60℃,在每個(gè)溫度點(diǎn)保溫1h,以確保系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定。在每個(gè)溫度點(diǎn)上,設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動控制加速度從-6g以0.5g間隔升
10、高到6g,采集數(shù)據(jù),完成測試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到加速度計(jì)各性能參數(shù)在補(bǔ)償前后的改善效果,表1列出了[SFT],[ΔBmax],[σB]和非線性度NL這四個(gè)參數(shù)的改善效果,其中,1ppm=[10-6]。從表1可以看出,經(jīng)過補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償前后的加速度計(jì)的溫度特性得到明顯改善,標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)、零偏極差、零偏穩(wěn)定性的值也分別得到改善,證明了補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性。全溫零偏極差和穩(wěn)定性測試時(shí),控制溫箱在1h內(nèi)從-40℃升高到60℃,采集補(bǔ)償前后的輸出電壓以完成測試。圖6、圖7分別為補(bǔ)償前、后加速度計(jì)零狀態(tài)輸出。圖8為測試系統(tǒng)溫度變化示意圖。加速度計(jì)零狀態(tài)輸出電壓標(biāo)稱值為2.5V,由圖6~圖8可見,加速度計(jì)
11、在各個(gè)溫度下補(bǔ)償前后零偏明顯減小,且穩(wěn)定性有很大提高。圖9展示了溫度補(bǔ)償前后標(biāo)度因數(shù)的變化??梢钥闯鲅a(bǔ)償后各溫度下的標(biāo)度因數(shù)均接近標(biāo)稱值-66.67mV/g。圖10展示了補(bǔ)償前后各溫度點(diǎn)的加速度計(jì)非線性度改善效果??梢钥闯鲅a(bǔ)償系統(tǒng)對系統(tǒng)輸出線性度的改善非常好,補(bǔ)償系統(tǒng)大大減小了溫度對系統(tǒng)線性度的影響。6結(jié)語本文采用基于AWPSO?SVM的MEMS加速度計(jì)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法,建立溫度模型并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,補(bǔ)償系統(tǒng)對加速度計(jì)在不同溫度下的各性能參數(shù)具有很明顯的改善效果,證明了該方法的可行性與有效性,可在工程化應(yīng)用中具有明顯的價(jià)值。參考文獻(xiàn)【1】趙正平.典型MEMS和可穿戴傳感技
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