CN103389114B - 基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定方法，包含以下步骤：步骤1：三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；步骤2：三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。本发明的方法利用MEMS陀螺具有g敏感性的特点，无须借助于速率转台，只需在水平基准面上进行6个方向的位置标定，能快速准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交误差系数。

Description

基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法

技术领域

本发明涉及一种三轴MEMS(微机电系统，Micro-Electro-MechanicalSystems)陀螺标定方法，尤其涉及一种三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，属于MEMS陀螺技术领域。

背景技术

三轴MEMS陀螺的非正交误差是由于三个轴向的MEMS陀螺立体安装时不能绝对相互垂直而造成的安装误差。三轴MEMS陀螺的非正交安装误差直接影响了其测量精度，在工程化使用中必须进行标定并加以补偿。常用的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法是基于速率转台通过多位置速率标定，测试不同位置下三个轴向MEMS陀螺的输出角速率，计算出非正交安装误差系数。该方法虽然可以准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交误差系数，但是需要借助于速率转台，在无速率转台的情况下不能实现三轴MEMS陀螺的非正交误差系数的标定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于g敏感性(加速度敏感性)的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，在无速率转台的情况下可实现三轴MEMS陀螺的非正交误差系数的标定。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，包含以下步骤：

步骤1：三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；

步骤2：三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。

步骤1中，三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定时，

首先，进行X轴方向标定：将三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，将X轴方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下X轴陀螺的零偏Bias，根据MEMS陀螺零偏模型(公式(1))，利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺安装后X轴的g敏感性系数A，具体的计算方法如公式(2)所示：

Bias＝B₀+A×g (1)

Bias_朝下＝B₀+A×g

Bias_朝上＝B₀-A×g

A＝(Bias_朝下-Bias_朝上)/2g (2)

利用上式计算出来该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数，分别与其三轴立体安装前的g敏感性系数进行比值计算，计算出X轴方向标定时各轴向的非正交安装误差系数。

计算方法以X轴方向标定时各轴向的非正交安装误差系数计算方法为例：

测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏分别为Bias_X_X朝下和Bias_X_X朝上，依据公式(2)计算出安装后X轴方向标定时X轴陀螺的g敏感性系数记为A_xx，

Bias_X_X朝下＝B_x0+A_xx×g

Bias_X_X朝上＝B_x0-A_xx×g

A_xx＝(Bias_X_X朝下-Bias_X_X朝上)/2g

式中：Bias_X_X朝下和Bias_X_X朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，B_x0为X轴陀螺的固定零偏，

计算出三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数K_xx：

$K_{xx}=\frac{A_{xx}}{A_x}$

式中，A_x为安装前X轴陀螺的g敏感性系数。

按照上述计算方法，可以计算出X轴方向标定时Y、Z的g敏感性系数，和非正交安装误差系数。

同理，按照上述步骤分别进行Y轴、Z轴标定，计算出MEMS陀螺安装后Y轴、Z轴标定时不同轴向的g敏感性系数和非正交安装误差系数。

本发明所达到的有益效果：

本发明的方法利用MEMS陀螺具有g敏感性(也称加速度敏感性)的特点，无须借助于速率转台，只需在水平基准面上进行6个方向的位置标定，能快速准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交安装误差系数。

附图说明

图1是三轴MEMS陀螺放置于水平基座；

图2是标定方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的原理是：由于三轴MEMS陀螺非正交安装误差的存在，会导致安装后标定计算出的MEMS陀螺的g敏感性系数与安装前不相同，利用三轴MEMS陀螺安装前后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。

MEMS陀螺的零偏主要包括固定零偏和零偏加速度敏感系数，其数学模型如公式(1)所示。

Bias＝B₀+A×a (1)

式中：Bias为陀螺零偏；

B₀为MEMS陀螺固定零偏；

a为MEMS陀螺敏感的加速度；

A为MEMS陀螺g敏感性系数。

具体技术方案是：将组装好的三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，首先将X方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下陀螺的零偏，利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺的g敏感性系数，具体的计算方法如下公式(2)所示：

Bias_朝下＝B₀+A×g

Bias_朝上＝B₀-A×g

A＝(Bias_朝下-Bias_朝上)/2g (2)

公式中g为重力加速度；Bias_朝下、Bias_朝上分别为朝上、朝下两种情况下的MEMS陀螺零偏。

利用上式计算出来X轴MEMS陀螺g敏感性系数与其三轴立体安装前计算出的g敏感性系数进行比值计算，就可以计算出该方向的安装误差，同理可以计算出三轴MEMS陀螺Y、Z轴向的非正交安装误差系数。

1.三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定方案

标定的步骤和方案：将三轴MEMS陀螺10放置于水平基座20上，如图1所示。首先进行X轴标定。第一步，将X轴方向的MEMS陀螺的敏感轴垂直于水平基座平面朝下放置，测试出该位置时X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值，第二步，将X轴方向的MEMS陀螺的敏感轴垂直于水平基座平面朝上放置，测试出该位置时X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值；同理按照上述方法，分别进行Y轴和Z轴方向的标定，并测试X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值。标定的方案如图2所示。

2.三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数计算方法

三轴MEMS陀螺非正交化安装误差方程如公式(3)所示。

W_x＝K_xx×ω_x+K_xy×ω_y+K_xz×ω_z

W_y＝K_yx×ω_x+K_yy×ω_y+K_yz×ω_z

W_z＝K_zx×ω_x+K_zy×ω_y+K_zz×ω_z (3)

公式(3)中：K_xx、K_xy、K_xz、K_yx、K_yy、K_yz、K_zx、K_zy、K_zz为三轴MEMS陀螺非正交化安装误差系数，ω_x、ω_y、ω_z分别为X、Y、Z方向的输入角速率(本专利不利用MEMS陀螺的输入角速率标定非正交化安装误差系数)。

不妨以X轴方向标定(图2中的第1步和第2步)为例，计算三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数计算方法。

根据图2，首先测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，依据公式(2)计算出安装后X轴陀螺的g敏感性系数，记为A_xx；具体推导过程如下：

Bias_X_X朝下＝B_x0+A_xx×g

Bias_X_X朝上＝B_x0-A_xx×g

A_xx＝(Bias_X_X朝下-Bias_X_X朝上)/2g

式中：Bias_X_X朝下和Bias_X_X朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，B_x0为X轴陀螺的固定零偏。因此，可以计算出K_xx：

$K_{xx}=\frac{A_{xx}}{A_x}---\left(4\right)$

式中，A_x为安装前X轴陀螺的g敏感性系数。

按照同样的方法可以计算出在该X轴方向标定时Y轴和Z轴陀螺的g敏感性系数A_xy和A_xz，具体推导过程如下：

Bias_Y_X朝下＝B_y0+A_xy×g

Bias_Y_X朝上＝B_y0-A_xy×g

A_xy＝(Bias_Y_X朝下-Bias_Y_X朝上)/2g

Bias_Z_X朝下＝B_z0+A_xz×g

Bias_Z_X朝上＝B_z0-A_xz×g

A_xz＝(Bias_Z_X朝下-Bias_Z_X朝上)/2g

式中：Bias_Y_X朝下和Bias_Y_X朝上分别为X轴朝下和朝上时Y轴陀螺的零偏，B_y0为Y轴陀螺的固定零偏；Bias_Z_X朝下和Bias_Z_X朝上分别为X轴朝下和朝上时Z轴陀螺的零偏，B_z0为Z轴陀螺的固定零偏。因此，可以计算出K_xy和K_xz：

$K_{xy}=\frac{A_{xy}}{A_y}$

$K_{xz}=\frac{A_{xz}}{A_z}---\left(5\right)$

式中：A_y和A_z分别为安装前Y轴陀螺和Z轴陀螺的g敏感性系数。

同理，按照1中的三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定方案，参照以上的计算方法，可以计算出Y轴和Z轴标定时不同轴向的g敏感性系数，其中Y轴标定方向，X、Y、Z的加速度敏感性系数为A_yx、A_yy、A_zy，Z轴标定方向，X、Y、Z的加速度敏感性系数为A_zx、A_zy、A_zz，因此可以计算出非正交安装误差系数K_yx、K_yy、K_yz、K_zx、K_zy、K_zz：

$\begin{array}{cc}{K}_{yx}=\frac{A_{yx}}{A_y}& K_{zx}=\frac{A_{zx}}{A_z}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{K}_{yy}=\frac{A_{yy}}{A_y}& K_{zy}=\frac{A_{zy}}{A_z}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{K}_{yz}=\frac{A_{yz}}{A_y}& K_{zz}=\frac{A_{zz}}{A_z}\end{array}---\left(6\right)$

公式(6)中A_y和A_z分别为安装前Y轴陀螺和Z轴陀螺的g敏感性系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，包含以下步骤：

步骤1：三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；

步骤2：三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数；

步骤1中，三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数标定时，

首先，进行X轴方向标定：将三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，将X轴方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下X轴陀螺的零偏Bias，根据MEMS陀螺零偏模型公式(1)，利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺安装后X轴的g敏感性系数A，具体的计算方法如公式(2)所示：

Bias＝B₀+A×g (1)

Bias_朝下＝B₀+A×g

Bias_朝上＝B₀-A×g

A＝(Bias_朝下-Bias_朝上)/2g (2)

其中B₀为MEMS陀螺固定零偏；

利用上式计算出来该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数，分别与其三轴立体安装前的g敏感性系数进行比值计算，计算出X轴方向标定时各轴向的非正交安装误差系数。

2.根据权利要求1所述的基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，

计算方法以X轴方向标定时各轴向的非正交安装误差系数计算方法为：

测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏分别为Bias_X_X朝下和Bias_X_X朝上，依据公式(2)计算出安装后X轴方向标定时X轴陀螺的g敏感性系数记为A_xx，

Bias_X_X朝下＝B_x0+A_xx×g

Bias_X_X朝上＝B_x0-A_xx×g

A_xx＝(Bias_X_X朝下-Bias_X_X朝上)/2g

式中：Bias_X_X朝下和Bias_X_X朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，B_x0为X轴陀螺的固定零偏，

计算出三轴MEMS陀螺非正交安装误差系数K_xx：

$K_{xx}=\frac{A_{xx}}{A_x}$

式中，A_x为安装前X轴陀螺的g敏感性系数；

按照上述计算方法，可以计算出X轴方向标定时Y、Z的g敏感性系数，和非正交安装误差系数；

同理，按照上述步骤分别进行Y轴、Z轴标定，计算出MEMS陀螺安装后Y轴、Z轴标定时不同轴向的g敏感性系数和非正交安装误差系数。