8.1 結論
本論文針對微機電振動式陀螺儀設計一套控制系統，以改良的狀態觀察器進行系統 動態與參數估測，並依此估測值對陀螺儀進行機械結構與感測電路的瑕疵補償，在搭配 適當的控制與訊號處理方法下，可以不透過角速度積分的方式而直接得到物體轉動角 度，因此可使用振動式陀螺儀同時作角速度以及角度的量測。本方法所能補償的機械結 構瑕疵包括：振動質量塊質量未知、系統剛性係數未知、系統阻尼係數未知、跨軸動態 耦合、感測介面的差分電容對不匹配；感測電路瑕疵包括：寄生電容、運算放大器的輸 入偏壓、電路雜訊。
本論文所提出的作法是利用一改良狀態觀察器，將陀螺儀的系統動態與系統參數一 併估測。所需要的量測訊號僅為質量塊在兩軸方向上的位置或速度，可估測的狀態包 括：質量塊在兩軸的位置與速度、振動質量塊質量、主軸與跨軸的剛性係數、主軸與跨 軸的阻尼係數、以及上述由感測介面與電路瑕疵所造成的輸出偏差(Bias or drift)訊號。
本論文藉由系統觀察性(Observability)來探討正確估測出上述所有未知量的條件：即陀螺 儀質量塊軌跡必須存在有兩個(含)以上的頻率；此外，在振動質量塊質量未知的情況下，
若要正確估測振動質量塊質量與其他參數，則必須要在回授控制中加入一獨立於系統狀 態(State)外的控制訊號。此外，為了以參數估測的方式建立陀螺儀控制系統，受控的單 一質量塊設計陀螺儀機械結構必須儘可能設計使兩跨軸的阻尼係數相同，而退耦式雙質 量塊設計中兩跨軸阻尼係數必須與兩軸質量大小成正比。然而，在實際系統中不易達成 此設計要求下，亦可以採用品質因子較高的設計，降低因跨軸阻尼不相同所造成角速度 的估測誤差，由於本論文以參數估測的方式作角速度量測，此舉將不會因提高品質因子 而降低感測頻寬。
本論文利用所提出的回授控制法則來控制質量塊軌跡以符合系統參數估測的條 件。此外，更可藉由不同控制法則的設計來達到不同質量塊軌跡的實現，進而檢驗不同
軌跡下系統參數估測的性能表現。所實現的軌跡控制包括：類似適應控制設計中使用的 參考模型法、直接補償阻尼的方法、以及維持整體能量的控制方法。所得的具體結論包 括：(1) 在退耦式陀螺儀設計中，因跨軸的干擾較單一質量塊式設計輕微，若僅以阻尼 補償的方法控制，補償後的系統動態將使參數估測的速度較慢，因此必須改以不同的設 計方式(加入輔助訊號或搭配能量控制)來提升參數估測速度。(2) 本論文所提出的控制 方法可完成參考模型法的質量塊軌跡，其軌跡類似先前文獻的適應控制設計法，惟軌跡 的振幅較適應控制法略小，因此可能降低角速度的感測精度。(3) 本論文提出的控制系 統有可能因為阻尼項的補償速度太慢，而造成系統能量損耗，使得陀螺儀質量塊的振幅 變小甚至停止。在此狀況下，必須採用本論文提出的能量控制法設計，以確保陀螺儀質 量塊的操作於最大可能的振幅，以提高角速度的感測精度。
本論文針對所提出的控制方法中的狀態觀察器提出一新式的設計，此設計並可藉由 Lyapunov 直接法來證明其收斂性。除了採用此一觀察器外，本控制方法亦可與其它現有 的狀態觀察器進行整合，以獲取其它狀態觀察器的優點。本論文以「擴增型卡曼濾波器」
為例進行參數估測，藉由卡曼濾波器具抗雜訊干擾的能力來大幅提升系統參數估測與回 授控制的品質。在數值模擬的印證中，相較於陀螺儀以「開路」操作並且假設陀螺儀無 機械結構瑕疵與感測電路瑕疵的狀況下，本方法可在陀螺儀所有結構參數都未知(或變 動)且感測介面與電路存在瑕疵下，改善角速度感測精確度達六倍；改善角速度的感測 頻寬改善達十倍。
傳統的適應控制法設計方法無法應用於陀螺儀的「直接角度量測」中，因為無法事 先在參考模型中指定角速度。而本論文所提出的控制方法可以不補償系統的角速度，因 此可以在不影響陀螺儀「進動」的條件下補償陀螺儀系統的瑕疵，進而直接獲得角度。
在分析此受控系統動態後，本論文亦提出兩種直接角度量測的訊號處理方法，分別為使 用低通濾波器與帶通濾波器的架構，兩種架構都可有效由此受控的系統動態中擷取出轉 動角度，但低通濾波器的作法較佳因為所需要的頻寬較小，角度量測精度因此較佳。在 數 值 模 擬 的 例 子 中 ， 以 本 論 文 提 出 的 轉 動 角 度 估 算 方 法 ， 在 角 速 度 以
) 10 2 sin(
200 π× t °/sec 快速變動下，相較於同樣條件下以角速度積分的結果，本方法可以
有 效 的 獲 得 轉 動 角 度 且 無 誤 差 累 積 的 問 題 。 且 當 系 統 阻 尼 係 數 因 環 境 變 異 造 成 50%( )、40%( )、以及 400%( )的變動時，本方法仍可在 0.1 秒內完成補償，並 繼續角度估算的工作，無須進行離線校正。
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8.2 未來方向
在經過本論文的研究探討後，許多相關問題需要更進一步研究與改良，後續相關的 研究方向如下：
z 本論文已大幅減少微機電陀螺儀控制系統設計中的假設，但目前我們仍假設量 測訊號中的比例(Scale)正確，僅可容許偏移的誤差，為達成線上補償以及免離 線校正的陀螺儀控制系統，仍需要設法估測量測訊號中可能的比例誤差；
z 不同的觀察器設計演算法可以進一步使用並比較，以找到較適合實現的方法，
解決本論文的設計法易受雜訊影響估測效能，而擴增型卡曼濾波器運算量太大 的問題；
z 實驗印證可分為四部份進行：一、首先印證以演算法補償電路瑕疵的部份；二、
以離線的方式先印證使用狀態觀察器估測系統參數的方法，並估計取樣頻率的 需求，以利最後作線上估測；三、先初步在不進行參數估測下做即時控制，以 降低運算量，並測試實際架構於線上控制的適用性；四、最後逐步增加估測參 數的數量，以完成全參數估測的目標。
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