CN105277215A - 基于离心加速度的mems陀螺加速度敏感性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法，包括以下步骤：将MEMS陀螺固定安装在离心机上，敏感轴指向或背向离心机的中心，分别让离心机转动到设定的加速度；测试记录不同加速度下的MEMS陀螺的零偏输出；根据零偏输出构建MEMS陀螺g敏感性矩阵和离心机的加速度矩阵；用高阶多项式表达MEMS陀螺g敏感性矩阵和离心机的加速度矩阵的关系；通过多项式拟合的方法计算出高阶多项式的系数；利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿。本发明利用不同g值的离心加速度对MEMS陀螺的g敏感性进行标定，可以更精确地标定出MEMS陀螺的g敏感性，提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。

Description

基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性高阶补偿方法。

背景技术

MEMS陀螺具有加速度敏感性(g敏感性)。当MEMS陀螺受到加速度影响时，输出会产生偏差。对MEMS陀螺g敏感性进行标定和补偿可以有效提高MEMS陀螺的测量精度。

目前，常规的MEMS陀螺g敏感性标定和补偿方法(参考IEEE标准：IEEEStandard528-1994和IEEEStandard517-1974)是让MEMS陀螺感知重力加速度，分别标定出+1g和-1g时MEMS陀螺的零偏输出，计算出MEMS陀螺的g敏感性；该方法只用+1g和-1g对MEMS陀螺的g敏感性进行标定，没进行其他g值或更高g值的标定，存在较大的标定误差，从而导致补偿不精确。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性高阶补偿方法。以改善MEMS陀螺g敏感性常规的标定和补偿方法存在不精确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法，其特征是，包括以下步骤：

将MEMS陀螺固定安装在离心机上，敏感轴指向或背向离心机的中心，分别让离心机转动到以下加速度：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；

测试记录不同加速度下的MEMS陀螺的零偏输出；

根据MEMS陀螺的零偏输出构建MEMS陀螺g敏感性矩阵和离心机的加速度矩阵为G；

用高阶多项式表达MEMS陀螺g敏感性矩阵Bias_g和离心机的加速度矩阵G的关系；

通过多项式拟合的方法计算出高阶多项式的系数；

利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿。

当MEMS陀螺的敏感轴指向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，-1g，-2g，-5g，-10g，-20g，-30g；当MEMS陀螺的敏感轴背向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；记录以上离心加速度下对应的MEMS陀螺的零偏输出，分别记为：bias_0g，bias_-1g，bias_-2g，bias_-5g，bias_-10g，bias_-20g，bias_-30g，bias_1g，bias_2g，bias_5g，bias_10g，bias_20g，bias_30g；

令MEMS陀螺g敏感性矩阵为Bias_g：

${\mathrm{Bias}}_g=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{bias}}_{-30g}\\ {\mathrm{bias}}_{-20g}\\ {\mathrm{bias}}_{-10g}\\ {\mathrm{bias}}_{-5g}\\ {\mathrm{bias}}_{-2g}\\ {\mathrm{bias}}_{-1g}\\ {\mathrm{bias}}_{0g}\\ {\mathrm{bias}}_{1g}\\ {\mathrm{bias}}_{2g}\\ {\mathrm{bias}}_{5g}\\ {\mathrm{bias}}_{10g}\\ {\mathrm{bias}}_{20g}\\ {\mathrm{bias}}_{30g}\end{array}\right]-{\mathrm{bias}}_{0g}\×1_{13\×1}$

离心机的加速度矩阵为G：

$G=\left[\begin{array}{c}-30g\\ -20g\\ -10g\\ -5g\\ -2g\\ -\lg \\ 0g\\ 1g\\ 2g\\ 5g\\ 10g\\ 20g\\ 30g\end{array}\right]$

MEMS陀螺g敏感性矩阵Bias_g和离心机的加速度矩阵G的关系式用高阶多项式表达为：

K_n×Gⁿ+K_n-1×G^n-1+K_n-2×G^n-2+......+K₂×G²+K₁×G¹+K₀＝Bias_g

通过多项式拟合的方法计算出多项式的系数K_n、K_n-1、K_n-2、……K₂、K₁、K₀；n为多项式的阶数。

利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿，计算公式如下：

$\begin{array}{c}Rate=\frac{({\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-{\mathrm{Bias}}_g)}{ScaleFactor}\\ =\frac{\[{\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-(K_n\×G^n+K_{n-1}\×G^{n-1}+K_{n-2}\×G^{n-2}+\mathrm{......}+K_2\×G^2+K_1\×G^1+K_0)\]}{ScaleFactor}\end{array}$

式中：Rate为陀螺的输出角速率值，单位：°/s；bias为陀螺的零偏；Gyro_output为MEMS陀螺的输出，ScaleFactor为陀螺的标度因数。

本发明所达到的有益效果：

本发明利用不同g值的离心加速度对MEMS陀螺的g敏感性进行标定，可以更精确地标定出MEMS陀螺的g敏感性，并建立MEMS陀螺的g敏感性高阶多项式提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。更精确地标定出MEMS陀螺的g敏感性，并建立MEMS陀螺的g敏感性高阶多项式，提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。

具体实施方式

下面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。

本发明采用离心机，通过不同g值的离心加速度对MEMS陀螺的g敏感性进行标定，通过高阶多项式拟合的方式计算出MEMS陀螺的g敏感性补偿多项式。

1.实验方法

将MEMS陀螺固定安装在离心机上，敏感轴指向或背向离心机的中心，分别让离心机转动到：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；由于MEMS陀螺的敏感轴指向或背向离心机的中心，没有旋转角速率输入，测试记录不同加速度下的MEMS陀螺的零偏输出；当MEMS陀螺的敏感轴指向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，-1g，-2g，-5g，-10g，-20g，-30g；当MEMS陀螺的敏感轴背向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；记录以上离心加速度下对应的MEMS陀螺的零偏输出，分别记为：bias_0g，bias_-1g，bias_-2g，bias_-5g，bias_-10g，bias_-20g，bias_-30g，bias_1g，bias_2g，bias_5g，bias_10g，bias_20g，bias_30g。

2.g敏感性计算方法

令MEMS陀螺g敏感性矩阵为Bias_g：

${\mathrm{Bias}}_g=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{bias}}_{-30g}\\ {\mathrm{bias}}_{-20g}\\ {\mathrm{bias}}_{-10g}\\ {\mathrm{bias}}_{-5g}\\ {\mathrm{bias}}_{-2g}\\ {\mathrm{bias}}_{-1g}\\ {\mathrm{bias}}_{0g}\\ {\mathrm{bias}}_{1g}\\ {\mathrm{bias}}_{2g}\\ {\mathrm{bias}}_{5g}\\ {\mathrm{bias}}_{10g}\\ {\mathrm{bias}}_{20g}\\ {\mathrm{bias}}_{30g}\end{array}\right]-{\mathrm{bias}}_{0g}\×1_{13\×1}$

令离心机的加速度矩阵为G：

$G=\left[\begin{array}{c}-30g\\ -20g\\ -10g\\ -5g\\ -2g\\ -\lg \\ 0g\\ 1g\\ 2g\\ 5g\\ 10g\\ 20g\\ 30g\end{array}\right]$

MEMS陀螺g敏感性矩阵Bias_g和离心机的加速度矩阵G的关系式可以用高阶多项式表达：

K_n×Gⁿ+K_n-1×G^n-1+K_n-2×G^n-2+......+K₂×G²+K₁×G¹+K₀＝Bias_g

通过多项式拟合的方法可以计算出多项式的系数

K_n、K_n-1、K_n-2、……K₂、K₁、K₀；多项式的阶数可以根据精度的要求自行选择、，阶数越高补偿的精度越高。

利用拟合后的g敏感性多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿，计算公式如下：

$\begin{array}{c}Rate=\frac{({\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-{\mathrm{Bias}}_g)}{ScaleFactor}\\ =\frac{\[{\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-(K_n\×G^n+K_{n-1}\×G^{n-1}+K_{n-2}\×G^{n-2}+\mathrm{......}+K_2\×G^2+K_1\×G^1+K_0)\]}{ScaleFactor}\end{array}$

上式中：Rate为陀螺的输出角速率值，单位：°/s；bias为陀螺的零偏；Gyro_output为MEMS陀螺的输出，ScaleFactor为陀螺的标度因数。

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 (3)

1.一种基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法，其特征是，包括以下步骤：

将MEMS陀螺固定安装在离心机上，敏感轴指向或背向离心机的中心，分别让离心机转动到以下加速度：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；

测试记录不同加速度下的MEMS陀螺的零偏输出；

根据MEMS陀螺的零偏输出构建MEMS陀螺g敏感性矩阵和离心机的加速度矩阵为G；

用高阶多项式表达MEMS陀螺g敏感性矩阵Bias_g和离心机的加速度矩阵G的关系；

通过多项式拟合的方法计算出高阶多项式的系数；

利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿。

2.根据权利要求1所述的基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法，其特征是，当MEMS陀螺的敏感轴指向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，-1g，-2g，-5g，-10g，-20g，-30g；当MEMS陀螺的敏感轴背向离心机中心，感知的离心加速度为：0g，1g，2g，5g，10g，20g，30g；记录以上离心加速度下对应的MEMS陀螺的零偏输出，分别记为：bias_0g，bias_-1g，bias_-2g，bias_-5g，bias_-10g，bias_-20g，bias_-30g，bias_1g，bias_2g，bias_5g，bias_10g，bias_20g，bias_30g；

令MEMS陀螺g敏感性矩阵为Bias_g：

${\mathrm{Bias}}_g=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{bias}}_{-30g}\\ {\mathrm{bias}}_{-20g}\\ {\mathrm{bias}}_{-10g}\\ {\mathrm{bias}}_{-5g}\\ {\mathrm{bias}}_{-2g}\\ {\mathrm{bias}}_{-1g}\\ {\mathrm{bias}}_{0g}\\ {\mathrm{bias}}_{1g}\\ {\mathrm{bias}}_{2g}\\ {\mathrm{bias}}_{5g}\\ {\mathrm{bias}}_{10g}\\ {\mathrm{bias}}_{20g}\\ {\mathrm{bias}}_{30g}\end{array}\right]-{\mathrm{bias}}_{0g}\×1_{13\×1}$

离心机的加速度矩阵为G：

$G=\left[\begin{array}{c}-30g\\ -20g\\ -10g\\ -5g\\ -2g\\ -1g\\ 0g\\ 1g\\ 2g\\ 5g\\ 10g\\ 20g\\ 30g\end{array}\right]$

MEMS陀螺g敏感性矩阵Bias_g和离心机的加速度矩阵G的关系式用高阶多项式表达为：

K_n×Gⁿ+K_n-1×G^n-1+K_n-2×G^n-2+......+K₂×G²+K₁×G¹+K₀＝Bias_g

通过多项式拟合的方法计算出多项式的系数K_n、K_n-1、K_n-2、······K₂、K₁、K₀；n为多项式的阶数。

3.根据权利要求2所述的基于离心加速度的MEMS陀螺加速度敏感性补偿方法，其特征是，

利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺g敏感性补偿，计算公式如下：

$\begin{array}{c}Rate=\frac{\left({\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-{\mathrm{Bias}}_g\right)}{ScaleFactor}\\ =\frac{\[{\mathrm{Gyro}}_{output}-bias-\left(K_n\×G^n+K_{n-1}\×G^{n-1}+K_{n-2}\×G^{n-2}+......+K_2\×G^2+K_1\×G^1+K_0\right)\]}{ScaleFactor}\end{array}$

式中：Rate为陀螺的输出角速率值，单位：°/s；bias为陀螺的零偏；Gyro_output为MEMS陀螺的输出，ScaleFactor为陀螺的标度因数。