CN104897171A - 全温一体化惯性测量单元标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全温一体化惯性测量单元标定方法,所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，该方法包括以下步骤:（1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；（2）将IMU按方法说明书安装于双轴温箱内；（3）根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；（4)误差补偿：根据步骤3）建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；（5）精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。本发明方法提出了全温补偿模型,从而能提高惯性测量单元的测量精度。

Description

全温一体化惯性测量单元标定方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种全温一体化惯性测量单元标定方法。

背景技术

随着惯性导航的发展，惯性测量单元(简称IMU)在军事和民用定位中得到了日渐广泛的应用。温度影响是IMU的研制工作中的一个重要问题。IMU受到温度影响表现在两个阶段：一是系统刚开机时系统达到热平衡之前，这阶段的温度补偿工作一方面要缩短系统的预热时间，实现快速启动，另一方面要保证良好的开机重复性；另一阶段是系统运行过程中的温度变化，在这阶段中温度补偿工作主要是修正系统的温度漂移，提高系统精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种全温一体化惯性测量单元标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：全温一体化惯性测量单元标定方法,所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，包括以下步骤:

1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；

具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系,设定正交的坐标系b系的ox_b轴与x加速度计的输入轴ox_a相同，并且oy_b轴在x加速度计的输入轴ox_a和y加速度计的输入轴oy_a所确定的平面x_ay_a内；这样，oy_b轴可通过在x_ay_a平面内转动一小角度来确定，oz_b轴可通过先绕ox_b轴转动一小角度，再绕oy_b轴转动一小角度来确定；从而可知，ox_a和oy_b轴，ox_a和oz_b轴，oy_a和oz_b轴之间为直角；

因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：

${\mathrm{\δf}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δf}}_x^b\\ {\mathrm{\δf}}_y^b\\ {\mathrm{\δf}}_z^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{ax}}\\ K_{\mathrm{ay}}\\ K_{\mathrm{az}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{axx}}& 0& 0\\ K_{\mathrm{ayx}}& K_{\mathrm{ayy}}& 0\\ K_{\mathrm{azx}}& K_{\mathrm{azy}}& K_{\mathrm{azz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_x^b\\ f_y^b\\ f_z^b\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，表示加速度计的测量误差，表示加速度计的理想值，K_aI表示加速度计的零位，K_aII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数K_ayx、K_azx、K_azy表示加速度计的安装误差系数；

同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：

${\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ib}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{gx}}\\ D_{\mathrm{gy}}\\ D_{\mathrm{gz}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{E}_{\mathrm{gxx}}& E_{\mathrm{gxy}}& E_{\mathrm{gxz}}\\ E_{\mathrm{gyx}}& E_{\mathrm{gyy}}& E_{\mathrm{gyz}}\\ E_{\mathrm{gzx}}& E_{\mathrm{gzy}}& E_{\mathrm{gzz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，表示陀螺仪的测量误差，表示陀螺仪的理想值，D_gI表示陀螺仪的常值漂移，E_gII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数E_gxy、E_gxz、E_gyx、E_gyz、E_gzx、E_gzy表示陀螺仪的安装误差系数；

2)依据惯性测量单元某一温度点的误差模型使用自动控制系统，按规定速率转动或静止双轴温控转台，并记录IMU输出原始观测量；具体如下:

2.1)将IMU按方法说明书安装于双轴温控转台内；

2.2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电；

2.3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数：

(1)加速度计的零位K_aI；

(2)加速度计的标度因数K_aII；

(3)加速度计的安装误差系数K_ayx、K_azx、K_azy；

(4)陀螺的常值漂移D_gI；

(5)陀螺的标度因数E_gII；

(6)陀螺的安装误差系数E_gxy、E_gxz、E_gyx、E_gyz、E_gzx、E_gzy。

2.4)建立定温度点误差模型，将IMU断电；

2.5)重复步骤2.2)至2.4)直至各温度点模型建立完毕；

3)根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；

4)误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；

5)精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。

采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：

本发明产生的有益效果是：本发明方法采用软件控制双轴温控转台，从而减少人为参与误差测量更准确，并降低人力成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的转台标定流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明方法依据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，利用高精度双轴温控转台对误差进行精确标定，提出温度补偿方案，标定方法流程见图1。

(1)依据器件原理，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；

IMU系统主要由三个陀螺仪和三个加速度计组成。

由于惯性仪表安装存在误差，加速度计输入轴坐标系a系和陀螺仪输入轴坐标系g系均不是正交坐标系。为了减少误差参数，假定正交的坐标系b系的ox_b轴与x加速度计的输入轴ox_a相同，并且oy_b轴在x加速度计的输入轴ox_a和y加速度计的输入轴oy_a所确定的平面x_ay_a内。这样，oy_b轴可通过在x_ay_a平面内转动一小角度来确定，oz_b轴可通过先绕ox_b轴转动一小角度，再绕oy_b轴转动一小角度来确定。从而可知，ox_a和oy_b轴，ox_a和oz_b轴，oy_a和oz_b轴之间为直角。

因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：

${\mathrm{\δf}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δf}}_x^b\\ {\mathrm{\δf}}_y^b\\ {\mathrm{\δf}}_z^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{ax}}\\ K_{\mathrm{ay}}\\ K_{\mathrm{az}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{axx}}& 0& 0\\ K_{\mathrm{ayx}}& K_{\mathrm{ayy}}& 0\\ K_{\mathrm{azx}}& K_{\mathrm{azy}}& K_{\mathrm{azz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_x^b\\ f_y^b\\ f_z^b\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，表示加速度计的测量误差，表示加速度计的理想值，K_aI表示加速度计的零位，K_aII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的安装误差系数。

同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：

${\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ib}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{gx}}\\ D_{\mathrm{gy}}\\ D_{\mathrm{gz}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{E}_{\mathrm{gxx}}& E_{\mathrm{gxy}}& E_{\mathrm{gxz}}\\ E_{\mathrm{gyx}}& E_{\mathrm{gyy}}& E_{\mathrm{gyz}}\\ E_{\mathrm{gzx}}& E_{\mathrm{gzy}}& E_{\mathrm{gzz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中，表示陀螺仪的测量误差，表示陀螺仪的理想值，D_gI表示陀螺仪的常值漂移，E_gII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差系数。

(2)误差标定

依据误差模型，利用软件控制双轴温控转台，对惯性测量单元的误差进行全温的精确标定，标定流程如图2所示。

(3)依据标定方法，建立误差模型

依据惯性测量单元的器件原理和测试方法，建立全温范围内的误差补偿模型。

(4)误差补偿

依据步骤(3)建立的误差模型，对惯性测量单元的补偿进行补偿。

(5)精度验证

依据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。

采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：

采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.全温一体化惯性测量单元标定方法,所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，其特征在于，包括以下步骤:

1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；

具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系,设定正交的坐标系b系的ox_b轴与x加速度计的输入轴ox_a相同，并且oy_b轴在x加速度计的输入轴ox_a和y加速度计的输入轴oy_a所确定的平面x_ay_a内；这样，oy_b轴可通过在x_ay_a平面内转动一小角度来确定，oz_b轴可通过先绕ox_b轴转动一小角度，再绕oy_b轴转动一小角度来确定；从而可知，ox_a和oy_b轴，ox_a和oz_b轴，oy_a和oz_b轴之间为直角；

因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：

${\mathrm{\δf}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δf}}_x^b\\ {\mathrm{\δf}}_y^b\\ {\mathrm{\δf}}_z^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{ax}}\\ K_{\mathrm{ay}}\\ K_{\mathrm{az}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{axx}}& 0& 0\\ K_{\mathrm{ayx}}& K_{\mathrm{ayy}}& 0\\ K_{\mathrm{azx}}& K_{\mathrm{azy}}& K_{\mathrm{azz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_x^b\\ f_y^b\\ f_z^b\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，表示加速度计的测量误差，表示加速度计的理想值，K_aI表示加速度计的零位，K_aII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的安装误差系数；

同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：

${\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ib}}^b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{gx}}\\ D_{\mathrm{gy}}\\ D_{\mathrm{gz}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{E}_{\mathrm{gxx}}& E_{\mathrm{gxy}}& E_{\mathrm{gxz}}\\ E_{\mathrm{gyx}}& E_{\mathrm{gyy}}& E_{\mathrm{gyz}}\\ E_{\mathrm{gzx}}& E_{\mathrm{gzy}}& E_{\mathrm{gzz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，表示陀螺仪的测量误差，表示陀螺仪的理想值，D_gI表示陀螺仪的常值漂移，E_gII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差系数；

2)依据惯性测量单元某一温度点的误差模型，按规定速率转动或静止双轴温控转台，并记录IMU输出原始观测量，对惯性测量单元的误差进行全温的精确标定；具体如下:

2.1)将IMU按方法说明书安装于双轴温控转台内；

2.2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电；

2.3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数：

(1)加速度计的零位K_aI；

(2)加速度计的标度因数K_aII；

(3)加速度计的安装误差系数K_ayx、K_azx、K_azy；

(4)陀螺的常值漂移D_gI；

(5)陀螺的标度因数E_gII；

(6)陀螺的安装误差系数E_gxy、E_gxz、E_gyx、E_gyz、E_gzx、E_gzy。

2.4)建立定温度点误差模型，将IMU断电；

2.5)重复步骤2.2)至2.4)直至各温度点模型建立完毕；

3)根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；

4)误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿。

5)精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。