CN105424040A - 一种新型mems惯性传感器阵列余度配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种新型MEMS惯性传感器阵列余度配置方法。本发明设计的一种新型MEMS惯性传感器阵列余度配置设计方法，将不同型号的惯性测量单元在传感器的系统层进行余度配置，通过两个不同型号的惯性测量单元的性能进行互补，经过整体的信息融合，实现系统层的整体性能提升，这样可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高融合后的惯性测量单元的测量性能和测量范围。

Description

一种新型MEMS惯性传感器阵列余度配置方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种新型MEMS惯性传感器阵列余度配置方法。

背景技术

随着MEMS惯性技术的快速发展和广泛应用，MEMS惯性测量单元以体积小、易集成、成本低等优势被广泛应用于车船、无人机等领域，为载体实时提供载体角速率、加速度、姿态、速度和位置等重要状态信息。

但一般工业用高性能MEMS惯性测量单元测量范围较小，难以适应一些载体在突发干扰下的大加速度和大角速率输入测量需求，导致测量出错或性能严重下降，甚至危及载体及人员安全。而目前市场上的消费级低成本MEMS惯性测量单元虽然具有小体积、低功耗、宽量程的特性，但产品可靠性和产品性能无法满足绝大部分载体的导航需求。针对此MEMS惯性测量单元的工程实用问题，可以考虑采用阵列余度配置方案，将工业用高性能MEMS惯性测量单元与消费级低成本MEMS惯性测量单元集成在一起，从而增强MEMS惯性测量单元的测量性能。然而传统的阵列传感器配置方法采用的是同一性能等级甚至同一型号传感器在空间上构成多余度配置，通过增加传感器测量信息的数量，经过融合信息处理算法获得更高的测量精度和测量性能。因此为了将工业用高性能MEMS惯性测量单元与消费级低成本MEMS惯性测量单元这两类不同性能等级的惯性传感器集成在一起，亟需设计一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法。

一种新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，包括：

提供第一惯性测量单元和第二惯性测量单元；

将所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元以阵列余度配置方式集成安装并连接至微处理器；

对集成后的所述第一惯性测量单元进行误差的标定和补偿；

于所述第一惯性测量单元的测量范围内，以第一惯性测量单元输出数据为基准对所述第二惯性测量单元误差进行标定，将补偿后的第二惯性测量单元与第一惯性测量单元输出的数据进行融合处理，以提高所述MEMS惯性传感器的测量性能。

上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用转台对所述第一惯性测量单元进行离线标定，并记录所述第一惯性测量单元的零偏、刻度因子和安装偏差角误差；

将所述第一惯性测量单元的零偏、刻度因子和安装偏差角误差存储至微处理器连接的存储单元中，用以对所述第一惯性测量单元进行误差修正。

上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用扩展卡尔曼滤波算法以所述误差补偿后的第一惯性测量单元的测量数据为基准对所第二惯性测量单元误差进行在线标定，并对所述第二惯性测量单元进行误差修正，对误差补偿和修正后的所述第一惯性测量单元和第二惯性测量单元的测量数据进行融合处理。

上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述测量性能包括零偏稳定性和零偏重复性、测量可靠性。

上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述第一惯性测量单元的测量范围低于所述第二惯性测量单元，所述第一惯性测量单元的测量稳定性、测量重复性性能优于所述第二惯性测量单元。

综上所述，本发明公开设计的一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，将不同型号的惯性测量单元在传感器的系统层进行余度配置，通过两个不同型号的惯性测量单元的性能进行互补，经过整体的信息融合，实现系统层的整体性能提升，这样可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高融合后的惯性测量单元的测量性能和测量范围。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

本发明的核心思想是，在采用不同性能的传感器，且不是在单一的传感器层进行余度配置，而是在系统层(IMU惯性测量单元)，其提高系统性能和精度并非单纯通过增加传感器测量信息的数量实现，而是通过不同性能传感器的性能互补特点，经过整体的信息融合，实现系统层的整体性能提升，整个系统中是包含一套性能高但测量范围较窄的MEMS惯性测量单元与一套性能较差但测量范围较宽的MEMS惯性测量单元，经过整体信息融合，可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高集成后IMU的测量性能和测量范围。

如图1、图2所示，本发明设计的一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，首先是提供两个MEMS惯性测量单元，分别是性能高但测量范围较窄的第一MEMS惯性测量单元，性能较差但测量范围较宽的第二MEMS惯性测量单元，然后将第一惯性测量单元和第二惯性测量单元与微处理器连接，对第一惯性测量单元和第二惯性测量单元进行误差标定和补偿，将第一惯性测量单元和第二惯性测量单元误差标定和补偿后的测量数据进行融合处理，通过对外数据接口传输出去，以提高整个惯性测量单元的测量性能。

具体的，先是硬件层的选型和集成：

一般情况下，选择高性能窄测量范围的第一惯性测量单元，其主要指标是根据微机械测量传感器的陀螺仪和加速度计的零偏稳定性和零偏重复性决定，一般参考依据是第一惯性测量单元的传感器的零偏稳定性和零偏重复性指标高出第二惯性测量单元的有关指标的100倍，第二惯性测量单元的测量范围应在第一惯性测量单元的测量范围的5倍以上，第二惯性测量单元的硬件成本应在第一惯性测量单元的成本1/100以下，在此选型基础上根据图1的框图进行硬件集成。

然后就是对第一惯性测量单元的误差标定与补偿：

利用转台设备对集成后的惯性测量单元硬件进行离线标定，并记录第一惯性测量单元的传感器零偏、刻度因子和安装偏差角误差，并将该误差存入处理器对应的存储单元中，从而使得标定后的惯性测量单元每次上电工作都可以自动利用误差补偿算法对第一惯性测量单元的误差进行修正，从而提高第一惯性测量单元的系统性能。

接着利用修正后的第一惯性测量单元数据对第二惯性测量单元进行误差在线标定与补偿：

由于实际使用过程中绝大部分时间第一惯性测量单元都工作在第一惯性测量单元的测量范围内，而此时第一惯性测量单元具有较高的测量精度，因此，我们可以在第一惯性测量单元的工作范围内，使用其数据作为测量基准，通过在线标定算法对第二惯性测量单元的误差进行在线估计，并利用此误差和误差补偿算法，提高第二惯性测量单元的测量性能。

具体的第二惯性测量单元误差参数在线标定与补偿方法主要包括如下步骤：

a、建立即第二惯性测量单元误差参数在线标定方法的状态估计方程。其状态估计方程建立如式(1)和(2)所示，其中状态量选取为 $\begin{array}{c}{X}_1=\[{\mathrm{\ω}}_x^B,{\mathrm{\ω}}_y^B,{\mathrm{\ω}}_z^B,{\mathrm{\ϵ}}_x,{\mathrm{\ϵ}}_y,{\mathrm{\ϵ}}_z,{\mathrm{\θ}}_{gx},{\mathrm{\θ}}_{gy},{\mathrm{\θ}}_{gz},K_{gx},K_{gy},K_{gz}\]\\ X_2=\[f_x^B,f_y^B,f_z^B,{\▿}_x,{\▿}_y,{\▿}_z,{\mathrm{\θ}}_{ax},{\mathrm{\θ}}_{ay},{\mathrm{\θ}}_{az},K_{ax},K_{ay},K_{az}\]\end{array},$ 与MEMS陀螺仪相关的状态量X₁中的各项分别表示：为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪估计的投影在第一惯性测量单元中的MEMS陀螺仪坐标系中的三轴陀螺仪数据；[ε_x,ε_y,ε_z]为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪与第一惯性测量单元中的MEMS陀螺仪之间的零偏误差，[θ_gx,θ_gy,θ_gz]为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪与第一惯性测量单元中的MEMS陀螺仪之间的安装误差角；[K_gx,K_gy,K_gz]为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪与第一惯性测量单元中的MEMS陀螺仪之间的轴向比例误差。与MEMS加速度计相关的状态量X₂中各项分别表示：为第二惯性测量单元中的MEMS加速度计估计的投影在第一惯性测量单元中的MEMS加速度计坐标系中的三轴加速度计数据，为第二惯性测量单元中的MEMS加速度计与第一惯性测量单元中的MEMS加速度计之间的零偏误差，[θ_ax,θ_ay,θ_az]为第二惯性测量单元中的MEMS加速度计与第一惯性测量单元中的MEMS加速度计之间的安装误差角；[K_ax,K_ay,K_az]为第二惯性测量单元中的MEMS加速度计与第一惯性测量单元中的MEMS加速度计之间的轴向比例误差。式(1)和(2)中下标k和k-1分别代表时刻t_k和t_k-1，W₁代表状态量X₁中状态量的白噪声项，W₂代表状态量X₂中各个状态量的白噪声项，为低性能陀螺仪的输出，为低性能加速度计的输出。

X_1,k＝f₁(X_1,k-1)+W_1,k-1(1)

X_2,k＝f₂(X_2,k-1)+W_2,k-1(2)

b、建立第二惯性测量单元误差参数在线标定方法的量测方程。其量程方程建立如式(3)和式(4)所示，其中量测量选取为第一惯性测量单元的输出信息 $\begin{array}{c}{Z}_1=\[W_x^B,W_y^B,W_z^B\]\\ Z_2=\[F_x^B,F_y^B,F_z^B\]\end{array},$ 分别表示：为第一惯性测量单元中MEMS陀螺仪的三轴输出，为第一惯性测量单元中MEMS加速度计的三轴输出。式(3)和(4)中下标k代表时刻t_k，V₁代表量测信息Z₁的量测噪声，V₂代表量测信息Z₂中的量测噪声，H₁和H₂为量测矩阵。

Z_1,k＝H₁X_1,k+V_1,k(3)

Z_2,k＝H₂X_2,k+V_2,k(4)

c、利用建立的状态估计方程及量测方程，在线标定第二惯性测量单元与第一惯性测量单元之间的各项误差参数。误差参数的估计过程采用的是扩展卡尔曼滤波算法(EKF)原理，其估计过程如式(5)～式(9)所示。通过式(6)中估计的每一个时刻状态量和即可在线标定出第二惯性测量单元与第一惯性测量单元之间的误差参数，这些误差参数包括步骤a中的MEMS陀螺仪零偏误差[ε_x,ε_y,ε_z]、安装误差角[θ_gx,θ_gy,θ_gz]和轴向比例误差[K_gx,K_gy,K_gz]，以及MEMS加速度计零偏误差安装误差角[θ_ax,θ_ay,θ_az]和轴向比例误差[K_ax,K_ay,K_az]。式(5)-式(9)中上标符号“-”代表一步预测值，“+”代表估计值。式(6)中K₁和K₂代表滤波增益，计算式为式(7)。式(7)中和分别代表状态量X₁和X₂的当前时刻一步预测状态协方差矩阵，其计算过程如式(8)所示，而R_1,k和R_2,k则分别是观测量Z₁和Z₂的量测噪声方差阵。式(8)中的和分别是通过将状态量X₁和X₂状态方程求解雅克比矩阵得到，Q_1,k-1和Q_2,k-1分别是状态量X₁和X₂的状态噪声方差阵，和为前一时刻估计的协方差矩阵。两个状态量协方差矩阵的估计值求解如式(9)所示，利用了协方差矩阵的一步预测值、滤波增益、量测矩阵以及量测噪声阵，其中I为12×12维的单位矩阵。将式(5)～式(9)进行每一个时刻的迭代计算，即可估计出第二惯性测量单元的误差参数。

$\begin{array}{c}{X}_{1,k}^{-}=f_1\left(X_{1,k-1}^{+}\right)\\ X_{2,k}^{-}=f_1\left(X_{2,k-1}^{+}\right)\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}{X}_{1,k}^{+}=X_{1,k}^{-}+K_1(Z_{1,k}-H_1{X}_{1,k}^{-})\\ X_{2,k}^{+}=X_{2,k}^{-}+K_2(Z_{2,k}-H_2{X}_{2,k}^{-})\end{array}---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{K}_1=P_{1,k}^{-}{H}_1^T{(H_1{P}_{1,k}^{-}{H}_1^T+R_{1,k})}^{-1}\\ K_2=P_{2,k}^{-}{H}_2^T{(H_2{P}_{2,k}^{-}{H}_2^T+R_{2,k})}^{-1}\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}{P}_{1,k}^{-}={\mathrm{\Φ}}_{1,k}^{-}{P}_{1,k-1}^{+}{\mathrm{\Φ}}_{1,k}^{-T}+Q_{1,k-1}\\ P_{2,k}^{-}={\mathrm{\Φ}}_{2,k}^{-}{P}_{2,k-1}^{+}{\mathrm{\Φ}}_{2,k}^{-T}+Q_{2,k-1}\end{array}---\left(8\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{1,k}^{-}=\frac{\∂\left(f_1\right(X_1\left)\right)}{\∂X_1},{\mathrm{\Φ}}_{2,k}^{-}=\frac{\∂\left(f_2\right(X_2\left)\right)}{\∂X_2}$

$\begin{array}{c}{P}_{1,k}^{+}=(I-K_1{H}_1)P_{1,k}^{-}{(I-K_1{H}_1)}^T+K_1{R}_{1,k}{K}_1^T\\ P_{2,k}^{+}=(I-K_2{H}_2)P_{2,k}^{-}{(I-K_2{H}_2)}^T+K_2{R}_{2,k}{K}_2^T\end{array}---\left(9\right)$

d、基于第二惯性测量单元误差参数的在线标定，设计综合提升集成后惯性测量单元整体性能的融合方法。首先对载体机动的角速率和加速度的变化幅值进行控制，使其保持在第一惯性测量单元工作的窄量程范围内一段时间，此时利用步骤c中的惯性测量单元误差参数在线标定方法对第二惯性测量单元的误差参数进行估计，保存估计出来的误差参数；参数在线标定结束后，再对此时的载体机动状态进行判断，当判断结果为集成后的惯性测量单元工作在窄量程范围内时，导航解算使用第一惯性测量单元输出；而当判断结果为集成后的惯性测量单元工作在宽量程范围内时，此时导航解算采用在线标定修正后的第二惯性测量单元输出数据，第二惯性测量单元输出数据在线修正过程如式(10)所示，其中各项的含义同步骤a和步骤c中的解释。因此，通过这种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，有效的提升了惯性测量单元的综合性能。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{x\_low,k}^B\\ {\mathrm{\ω}}_{y\_low,k}^B\\ {\mathrm{\ω}}_{z\_low,k}^B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1+K_{gx,k-1}^{+}& -{\mathrm{\θ}}_{gz,k-1}^{+}& {\mathrm{\θ}}_{gy,k-1}^{+}\\ {\mathrm{\θ}}_{gz,k-1}^{+}& 1+K_{gy,k-1}^{+}& -{\mathrm{\θ}}_{gx,k-1}^{+}\\ -{\mathrm{\θ}}_{gy,k-1}^{+}& {\mathrm{\θ}}_{gx,k-1}^{+}& 1+K_{gz,k-1}^{+}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{x,k-1}^{B+}\\ {\mathrm{\ω}}_{y,k-1}^{B+}\\ {\mathrm{\ω}}_{z,k-1}^{B+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{x,k-1}^{+}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{y,k-1}^{+}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{z,k-1}^{+}\end{array}\right]---\left(10\right)$

在本发明中，第一惯性测量单元和第二惯性测量单元内均设置有微机械加速度计和陀螺仪。最后将所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元误差标定和补偿后的测量数据进行融合处理。

综上所述，本发明设计的一种传感器数据融合方法，将不同性能的惯性测量单元在传感器的系统层进行余度配置，通过两个不同性能的惯性测量单元的性能进行互补，经过整体的信息融合，实现系统层的整体性能提升，这样可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高融合后的惯性测量单元的测量性能和测量范围。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (5)

1.一种新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，包括：

提供第一惯性测量单元和第二惯性测量单元；

将所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元以阵列余度配置方式集成安装并连接至微处理器；

对集成后的所述第一惯性测量单元进行误差的标定和补偿；

在所述第一惯性测量单元的测量范围内，以所述第一惯性测量单元输出数据为基准对所述第二惯性测量单元误差进行标定和补偿；

将所述第二惯性测量单元与所述第一惯性测量单元输出的数据进行融合处理，以提高所述MEMS惯性传感器的测量性能。

2.根据权利要求1所述的新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用转台对所述第一惯性测量单元进行误差的离线标定和补偿，并记录所述第一惯性测量单元的零偏、刻度因子和安装偏差角误差；

将所述第一惯性测量单元的零偏、刻度因子和安装偏差角误差存储至与所述微处理器连接的存储单元中。

3.根据权利要求1所述的述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用扩展卡尔曼滤波算法对所述第二惯性测量单元误差进行在线标定，并对所述第二惯性测量单元进行误差修正，将误差补偿和修正后的所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元的测量数据进行融合处理。

4.根据权利要求1所述的新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，所述测量性能包括零偏稳定性、零偏重复性和测量可靠性。

5.根据权利要求1所述的新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，所述第一惯性测量单元的测量范围低于所述第二惯性测量单元，所述第一惯性测量单元的测量稳定性、测量重复性性能优于所述第二惯性测量单元。