CN102135434A - 一种惯性测量单元误差补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种惯性测量单元误差补偿方法，包括步骤：对IMU测量沿运动物体轴相对于惯性空间的角速度进行温度补偿；对温度补偿后的角速度进行静态误差补偿；对静态误差补偿后的角速度进行动态误差补偿。从而实现不增加航姿系统制造成本的前提下提高航姿系统的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性测量单元误差补偿的方法，特别是指一种通过对惯性测量单元进行静动态误差补偿的方法。
背景技术
惯性测量单元(Inertial Measurement Unit IMU)是一种测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。一般的，一个IMU内会装有三轴的陀螺仪和三个方向的加速度计，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。
惯性测量单元的精度直接决定着航姿系统的制导精度，目前其自身误差包括确定性误差和随机性误差两种，也是航姿系统最主要的误差源。而目前提高航姿系统精度的改进方法主要是通过采用更高精度的惯性器件，这样便会成倍增加航姿系统的制造成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种惯性测量单元误差补偿的方法，以实现不增加航姿系统制造成本的前提下提高航姿系统的精度。
本发明提供一种惯性测量单元误差补偿的方法，包括步骤：
A、对IMU测量沿运动物体轴相对于惯性空间的角速度进行温度补偿；
B、对温度补偿后的角速度进行静态误差补偿；
C、对静态误差补偿后的角速度进行动态误差补偿。
由上可以看出，本发明方法可以对惯性测量单元进行误差补偿，从而实现不增加航姿系统制造成本的前提下提高航姿系统的精度。
上述的方法，其特征在于，步骤B所述的静态误差补偿包括以下公式：
fog_x1＝温度补偿后的角速度×标度因数-X；
fog_y1＝温度补偿后的角速度×标度因数-Y；
fog_z1＝温度补偿后的角速度×标度因数-Z；
其中，fog_x1为经静态误差补偿后的X轴角速度修正值，fog_y1为经静态误差补偿后的Y轴角速度修正值，fog_z1为经静态误差补偿后的Z轴角速度修正值，X为X轴静态误差系数，Y为Y轴静态误差系数，Z为Z轴静态误差系数。
由上可以看出，本发明方法中静态误差补偿考虑到了所有影响惯性测量单元精度的静态误差因素，从而能够更好地补偿性测量单元的静态误差。
上述的方法，其特征在于，步骤B所述温度补偿后的角速度采用下述数据格式转换而来：
将经过温度补偿处理的温度值被耦合后产生定义温度的字符串，取出参与温度补偿运算的数据，根据硬件通信协议转换为所需的格式的温度补偿后的角速度。
由上可以看出，经过温度补偿处理的温度值被耦合后产生定义温度的字符串可以直接参与三轴角速度的修正计算，从而实现使用软件算法对三轴角速度的温度修正。
上述的方法，其特征在于，步骤B所述静态误差补偿为下述公式：
fog_x1＝-((fog[0]＜＜20)|(fog[1]＜＜16)|(fog[2]＜＜8))/256×24.1063-X；
fog_y1＝-((fog[3]＜＜20)|(fog[4]＜＜16)|(fog[5]＜＜8))/256×24.0969-Y；
fog_z1＝-((fog[6]＜＜20)|(fog[7]＜＜16)|(fog[8]＜＜8))/256×24.1824-Z；
其中fog[n]，n＝9为由经过温度补偿处理的温度值进行耦合产生的定义温度的字符串，256为硬件通信协议转换系数，所述24.1063为标度因数，X为X轴静态误差系数。
由上可以看出，过移位运算后得到的数据的后四位不参与温度补偿运算的无效数据移除，使其数据格式满足本实施例航姿系统中的硬件通信协议，完成静态误差补偿。
上述的方法，其特征在于，步骤C所述的动态误差补偿包括以下公式：
fog_x＝fog_x1+Lyx×fog_y1+Lzx×fog_z1；
fog_y＝fog_y1+Lxy×fog_x1+Lzy×fog_z1；
fog_z＝fog_z1+Lxz×fog_x1+Lyz×fog_y1；
fog_x＝fog_x+(CCS[0][0]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][0]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][0]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
fog_y＝fog_y+(CCS[0][1]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][1]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][1]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
fog_z＝fog_z+(CCS[0][2]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][2]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][2]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
其中，north_angle为运动物体航姿与北向的夹角，Wie为作光纤陀螺三轴的动态误差系数标定实验时的地理纬度，latitude为运动物体地理纬度，CCS矩阵将Wie和latitude加入光纤陀螺三轴的角速度修正，PI为常量π；Lyx为X轴转动时对Y轴的动态误差系数，Lzx为X轴转动时对Z轴的动态误差系数，Lxy为Y轴转动时Y轴对X轴的动态误差系数，Lzy为Y轴转动时Y轴对Z轴的动态误差系数，Lxz为Z轴转动时对X轴的动态误差系数，Lyz为Z轴转动时对Y轴的动态误差系数，fog_x为X轴角速度修正值，fog_y为Y轴角速度修正值，fog_z为Z轴角速度修正值。
由上可以看出，本发明方法中的动态误差补偿通过引入光纤陀螺三轴转动时相互影响的动态误差系数以及运动物体地理纬度和标定该动态误差系数实验时的地理纬度，实现对所有影响惯性测量单元精度的机加精度误差和地球自转产生的误差的补偿。
附图说明
图1为本方明惯性测量单元误差补偿方法的工作流程图。
具体实施方式
本实施例在实施前需要通过标定实验确定出IMU的三轴(X轴，Y轴，Z轴)的静、动态误差系数。其中：
三轴的静态误差系数是利用实验设备中的单轴转台提供的水平基准，即当转台轴与当地东北天重合时，将航姿系统放在转台上，转台静止不动。每次进行1小时的静态导航测试后，在关机1小时，然后重新启动对准，进行第二次测试，如此反复测试得到三轴静态误差值(即标定零偏值)，再将地球自转角速度和重力加速度作为输入IMU的标量，并与IMU中光纤陀螺和加速度计的输出进行比较，建立IMU误差方程，求得三轴的静态误差系数。具体通过上述参数建立和求解静态误差系数的IMU误差方程可采用现有技术，例如采用相关的IMU标定软件直接完成运算，此处不再赘述。
考虑到光纤陀螺沿三轴中的某一轴的转动势必会影响其他两轴的运动，因此需要计算出三轴的动态误差系数来抵消其对另两轴的影响。其中，获得各轴的动态误差系数的具体方法为：
将光纤陀螺固定在单轴转台上，Z轴垂直指向天，做顺时针转动，转动单位数量的圈数，此时Z轴数据无效，记录下X、Y两轴的动态误差值，将其加权后得出X、Y两轴转动时分别对对方的动态影响系数，即动态误差系数。
将光纤陀螺固定在单轴转台上，X轴垂直指向天，做顺时针转动，转动单位数量的圈数，此时X轴数据无效，记录下Y、Z两轴的动态误差值，将其加权后得出Y、Z两轴转动时分别对对方的动态影响系数，即动态误差系数。
将光纤陀螺固定在单轴转台上，Y轴垂直指向天，做顺时针转动，转动单位数量的圈数，此时Y轴数据无效，记录下X、Z两轴的动态误差值，将其加权后得出X、Z两轴转动时分别对对方的动态影响系数，即动态误差系数。
其中，上述进行三轴的静态、动态误差系数的计算为现有技术，上述仅作简单说明。不难理解，也可以采用其他现有方式进行静态、动态误差系数的标定和计算。
不同的光纤陀螺具有不同的静动态误差系数，但不同的静动态误差系数都在同一数量级上，因此对不同光纤陀螺三轴之间的静动态误差系数计算影响甚微。故上述的计算结果可以作为确定值应用在不同的光纤陀螺的中。
下面结合图1示出的根据静、动态时运动物体航姿输出的静、动态误差对三个方向上进行校准的方法，实现静、动态误差补偿，包括步骤：
步骤101：安装在运动物体重心上的IMU测量沿运动物体轴相对于惯性空间的角速度作为本发明方法的输入量，并将该测得的输入量经温度补偿后发送到DSP进行惯性测量单元静动态误差补偿的处理。
其中，本实施例的IMU是由三只光纤陀螺和两只加速度计组成。由于IMU中的光纤陀螺的精度容易受温度的影响产生误差，所以需要对IMU测得的输入量进行温度补偿。
本步骤所述的温度补偿可以采用加入温度补偿电路来实现，该方法为现有技术，此处不再赘述。
步骤102：对步骤101传送过来的经过温度补偿处理的输入量进行二次修正，即静态误差补偿：将由IMU传送过来的经过温度补偿处理的温度值被耦合后产生定义温度的字符串(fog[n]，n＝9)向左移动相应的位数，以将通过移位运算后得到的数据的后四位不参与温度补偿运算的无效数据移除，使其数据格式满足本实施例航姿系统中的硬件通信协议；接着根据硬件通信协议除以256得到每个光纤陀螺的三轴角速度与温度的关系，并乘以用于减小误差的、起加权系数作用的标度因数，来减少三轴间的相互影响；最后减去各个轴的静态误差系数，如以下公式：
fog_x1＝-((fog[0]＜＜20)|(fog[1]＜＜16)|(fog[2]＜＜8))/256×24.1063(标度因数)-X；
fog_y1＝-((fog[3]＜＜20)|(fog[4]＜＜16)|(fog[5]＜＜8))/256×24.0969(标度因数)-Y；
fog_z1＝-((fog[6]＜＜20)|(fog[7]＜＜16)|(fog[8]＜＜8))/256×24.1824(标度因数)-Z；
上述公式中第一个公式即表示将fog[0]字符串左移20位、fog[1]字符串左移16位、fog[2]字符串左移8位，将位移后的三个字符串按位“或”运算，然后将运算后的值除以256，并乘以标度因数24.1063，再减去X轴静态误差系数X，所计算的结果发赋值给fog_x1。另两个公式同理，不再赘述。
其中，上述公式中，fog_x1为经静态误差补偿后的X轴角速度修正值，fog_y1为经静态误差补偿后的Y轴角速度修正值，fog_z1为经静态误差补偿后的Z轴角速度修正值；X为X轴静态误差系数，Y为Y轴静态误差系数，Z为Z轴静态误差系数；标度因数是指光纤陀螺输出量与输入角速率的比值，是根据整个输入速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求出的直线的斜率，由该拟合直线得出的标度因数，作为使用提供数值依据。标度因数的精度直接影响光纤陀螺的精度。本实施例中的标度因数是通过常规的标度因数实验获得。
步骤103：利用预先获得动态误差系数的实验得出的动态误差系数对经步骤102修正后的三轴角速度值进行再次修正，即针对不同的动态影响因素(机械设备本身机加精度、设备安装精度和地球自转的影响等)的动态补偿，其中，如下公式：
fog_x＝fog_x1+Lyx×fog_y1+Lzx×fog_z1；
fog_y＝fog_y1+Lxy×fog_x1+Lzy×fog_z1；
fog_z＝fog_z1+Lxz×fog_x1+Lyz×fog_y1；
fog_x’＝fog_x+(CCS[0][0]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][0]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][0]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
fog_y’＝fog_y+(CCS[0][1]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][1]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][1]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；fog_z’＝fog_z+(CCS[0][2]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][2]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][2]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
其中，Lyx为X轴转动时对Y轴的动态误差系数；Lzx为X轴转动时对Z轴的动态误差系数；Lxy为Y轴转动时Y轴对X轴的动态误差系数；Lzy为Y轴转动时Y轴对Z轴的动态误差系数；Lxz为Z轴转动时对X轴的动态误差系数；Lyz为Z轴转动时对Y轴的动态误差系数；fog_x、fog_y、fog_z分别为经过步骤103修正后的三轴角速度值；north_angle为运动物体航姿与北向的夹角；Wie为作光纤陀螺三轴的动态误差系数标定实验时的地理纬度；latitude为运动物体地理纬度。通过CCS矩阵(CCS矩阵是固定的纬度数据格式转换矩阵，通过转换使纬度数据能够参与光纤陀螺三轴角速度修正的计算)将动态影响因素之一的纬度数据(包括Wie和latitude)加入光纤陀螺三轴的角速度修正。通过对克服机械自身机加精度及外界地球自转的影响，实现航姿输出的动态误差补偿，最后输出静、动态误差补偿后的fog_x’、fog_y’、fog_z’三轴的角速度修正值。
将所输出的光纤陀螺三轴角速度修正值作为所述IMU输出的角速度，从而提高惯性测量单元的精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种惯性测量单元误差补偿方法，其特征在于，包括步骤：
A、对IMU测量沿运动物体轴相对于惯性空间的角速度进行温度补偿；
B、对温度补偿后的角速度进行静态误差补偿；
C、对静态误差补偿后的角速度进行动态误差补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述的静态误差补偿包括以下公式：
fog_x1＝温度补偿后的角速度×标度因数-X；
fog_y1＝温度补偿后的角速度×标度因数-Y；
fog_z1＝温度补偿后的角速度×标度因数-Z；
其中，fog_x1为经静态误差补偿后的X轴角速度修正值，fog_y1为经静态误差补偿后的Y轴角速度修正值，fog_z1为经静态误差补偿后的Z轴角速度修正值，X为X轴静态误差系数，Y为Y轴静态误差系数，Z为Z轴静态误差系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤B所述温度补偿后的角速度采用下述数据格式转换而来：
将经过温度补偿处理的温度值被耦合后产生定义温度的字符串，取出参与温度补偿运算的数据，根据硬件通信协议转换为所需的格式的温度补偿后的角速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤B所述静态误差补偿为下述公式：
fog_x1＝-((fog[0]＜＜20)|(fog[1]＜＜16)|(fog[2]＜＜8))/256×24.1063-X；
fog_y1＝-((fog[3]＜＜20)|(fog[4]＜＜16)|(fog[5]＜＜8))/256×24.0969-Y；
fog_z1＝-((fog[6]＜＜20)|(fog[7]＜＜16)|(fog[8]＜＜8))/256×24.1824-Z；
其中fog[n]，n＝9为由经过温度补偿处理的温度值进行耦合产生的定义温度的字符串，256为硬件通信协议转换系数，所述24.1063为标度因数，X为X轴静态误差系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述的动态误差补偿包括以下公式：
fog_x＝fog_x1+Lyx×fog_y1+Lzx×fog_z1；
fog_y＝fog_y1+Lxy×fog_x1+Lzy×fog_z1；
fog z＝fog_z1+Lxz×fog_x1+Lyz×fog_y1；
fog_x＝fog_x+(CCS[0][0]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][0]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][0]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
fog_y＝fog_y+(CCS[0][1]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][1]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][1]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
fog_z＝fog_z+(CCS[0][2]/cos(north_angle×PI/180.0)×cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[1][2]×sin(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0+CCS[2][2]×sin(north_angle×PI/180.0)/cos(latitude×PI/180.0)×Wie/3600.0)；
其中，north_angle为运动物体航姿与北向的夹角，Wie为作光纤陀螺三轴的动态误差系数标定实验时的地理纬度，latitude为运动物体地理纬度，CCS矩阵将Wie和latitude加入光纤陀螺三轴的角速度修正，PI为常量π；Lyx为X轴转动时对Y轴的动态误差系数，Lzx为X轴转动时对Z轴的动态误差系数，Lxy为Y轴转动时Y轴对X轴的动态误差系数，Lzy为Y轴转动时Y轴对Z轴的动态误差系数，Lxz为Z轴转动时对X轴的动态误差系数，Lyz为Z轴转动时对Y轴的动态误差系数，fog_x为X轴角速度修正值，fog_y为Y轴角速度修正值，fog_z为Z轴角速度修正值。
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