CN106017470A - 微惯性测量单元筛选方法及组合式微惯性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微惯性测量单元筛选方法及组合式微惯性测量装置。筛选方法中，根据多位置法计算角速度转换矩阵，并计算组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺z轴零偏数据，以组合式微惯性测量装置的陀螺x轴或y轴或z轴零偏数据随温度变化的曲线拟合方差最小为标准筛选微惯性测量单元；组合式微惯性测量装置包括至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，微惯性测量单元设置于安装平台上。本发明的优点在于利用多个廉价的微惯性测量单元进行组合即可构造较高性能的惯性测量系统，节省成本，具有更高的可靠性，降低温度变化对陀螺零偏的影响，实现了惯性测量装置的有效的误差补偿。

Description

微惯性测量单元筛选方法及组合式微惯性测量装置

技术领域

本发明涉及一种惯性测量单元筛选方法及惯性测量装置，尤其涉及一种微惯性测量单元筛选方法及组合式微惯性测量装置。

背景技术

微惯性测量单元由三轴微加速度计和三轴微陀螺组成。随着微电子技术的快速发展，采用微惯性测量单元作为惯性测量元件的惯性导航系统，以其体积小、重量轻、成本低等特点普遍使用在手机，汽车，小型无人机等平台上，使其可以为平台提供运动的位置、速度和姿态信息。而随着人们活动的室内空间越来越庞大和复杂，对商场、停车场、交通枢纽等人员密集场所的定位和引导需求日趋强烈。而普遍使用的室外导航定位方法如：全球定位系统(GPS)、移动通信定位系统等，在建筑物内部工作时，信号易受到建筑物遮蔽或是周围环境变化等因素而无法有效工作。利用手机中的微惯性测量单元实现室内定位导航就成为了一种有效的手段。同时随着小型无人机的快速发展，如何利用微惯性测量单元为其提供更为精确的姿态指示与控制策略具有广阔的应用。因此开展基于微惯性测量单元的研究工作具有十分重要的意义。

由微惯性测量单元构成的惯性导航系统，其导航定位的精度受限于微陀螺及微加速度计的精度，由于惯性导航的工作方式，使得微惯性器件的误差会对导航定位产生误差的累积效应。

由于生产条件的限制，仅使用单个微惯性测量单元很难实现较高精度测量。而且，惯性器件有很大概率具有方向相同、量值近似的误差。若想仅通过筛选方法获得性能较优的单个微惯性测量单元，不仅耗时费力，而且无法获得满意结果。

目前抑制惯性器件误差对导航定位的影响，主要通过以下两种技术途径：其一：纯惯性导航，利用静止检测(ZUPT)技术抑制微惯性器件误差对导航结果的影响；其二：利用外界信息与惯性系统组成组合导航的方式补偿并抑制惯性器件误差对定位导航的影响，如无线网络、蓝牙等技术。上述两种技术途径均存在各自的劣势，途径一采用的静止检测(ZUPT)对无法有效的抑制陀螺Z轴误差对航向角的影响；途径二会涉及到相应的成本提升，需要在外部布置额外的信号基站提供辅助信息，同时其面临在突发状况时有较大的失效风险，如在火灾，停电等状况下。

综上所述，现有的微惯性测量单元及抑制惯性器件误差的方法无法满足实际测量要求，因此从更为广泛的使用角度考虑，如何采用新的惯性器件配置方案保证在现有惯性器件精度的情况下提高导航定位精度成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为解决现有技术中微惯性测量单元在室内导航定位、无人机姿态指示等应用中精度低、可靠性不高，且由于微惯性测量单元陀螺零偏随着温度变化明显，依据初始静止时段获得的零偏不能够有效补偿掉温度变化所带来的零偏变化的技术问题，提出了一种微惯性测量单元筛选方法及组合式微惯性测量装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种微惯性测量单元筛选方法，其特征在于：所述筛选方法以组合式微惯性测量装置的陀螺第一单轴零偏数据随温度变化的曲线拟合方差最小为标准对微惯性测量单元进行筛选，所述陀螺第一单轴为x轴或y轴或z轴；所述组合式微惯性测量装置包括安装平台和至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，所述微惯性测量单元设置于安装平台上；所述筛选方法包括如下步骤：

(1)对待选的N个微惯性测量单元，采集并计算各个微惯性测量单元随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据，其中N≥2；

(2)随机选择m个微惯性测量单元设置于安装平台上，得到Q个组合式微惯性测量装置，其中2≤m≤N；

(3)对每一个组合式微惯性测量装置，计算各个微惯性测量单元的角速度测量坐标系与组合式微惯性测量装置的角速度测量坐标系之间的角速度转换矩阵；

(4)对每一个组合式微惯性测量装置，根据各个微惯性测量单元随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据以及相应的角速度转换矩阵，计算组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据；

(5)对Q个组合式微惯性测量装置，重复步骤2)至步骤4)，得到Q个组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据；

(6)对Q个组合式微惯性测量装置的陀螺第一单轴零偏数据随温度变化的曲线分别进行拟合，并计算曲线的拟合方差；

(7)选择Q个组合式微惯性测量装置中曲线的拟合方差最小的组合式微惯性测量装置作为所需的组合式微惯性测量装置。

所述微惯性测量单元为三轴MEMS陀螺仪或六轴MEMS传感器或九轴MEMS传感器或基于单轴MEMS陀螺仪开发的MEMS惯性测量单元。在筛选惯性测量单元时，陀螺x轴或y轴或z轴的零偏数据都可作为筛选标准进行考虑。由于利用静止检测(ZUPT)的零速校正可以有效的抑制水平方向上陀螺的误差累积，因此x、y轴的陀螺零偏受温度变化的影响也将会被抑制，一般情况下，以减小陀螺z轴误差影响作为主要考虑因素。通过设置至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，即可有效减少组合式微惯性测量装置的误差。由于微惯性测量单元陀螺零偏随着温度变化明显，依据初始静止时段获得的零偏不能够有效补偿掉温度变化所带来的零偏变化。因此，利用不同微惯性测量单元陀螺零偏随温度变化的趋势存在差异性的特点，通过筛选微惯性测量单元，使得组合式微惯性测量装置的零偏受温度变化影响大为减小而相对稳定，从而可以利用初始静止时段获得零偏加以补偿。

上述微惯性测量单元筛选方法的技术方案中，所述的步骤(1)中，所述陀螺第一单轴零偏数据由同一温度下所采集的多个数据取均值得到。通过将测量结果求平均值，即可减小各个轴的测量结果中的随机误差，提高测量精度。

上述微惯性测量单元筛选方法的技术方案中，所述的步骤(3)中，所述角速度转换矩阵通过多位置法得到，所述多位置法包括如下步骤：

(1)利用多位置法，改变组合式微惯性测量装置的姿态，计算第i个微惯性测量单元在不同姿态静置时的加速度实际测量矩阵Y_i；；

(2)计算第i个微惯性测量单元在不同接触面时的加速度理论测量矩阵X_i；

(3)根据加速度实际测量矩阵Y_i和加速度理论测量矩阵X_i，构建组合式微惯性测量装置中第i个微惯性测量单元的加速度转换模型如下：

$Y_i=R_i^a{X}_i,$

其中加速度转换矩阵为

$R_i^a=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}& b_{i,x}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}& b_{i,y}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}& b_{i,z}\end{array}\right],$

其中η_i,xx,η_i,yy,η_i,zz为第i个微惯性测量单元的刻度系数，b_i,x、b_i,y、b_i,z分别为对应零偏，η_i,xy、η_i,xz、η_i,yx、η_i,yz、η_i,zx、η_i,zy分别代表第i个微惯性测量单元测量坐标系三轴间的非正交误差和安装误差系数；

(4)利用最小二乘法，求解加速度转换矩阵即可得到角速度转换矩阵为

$R_i^v=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}\end{array}\right].$

上述微惯性测量单元筛选方法的技术方案中，所述的步骤(6)中，通过最小二乘法拟合组合式微惯性测量装置随温度变化的曲线。

本发明还提供一种组合式微惯性测量装置，其特征在于：包括安装平台和设置于安装平台上的至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元。通过在安装平台上简单设置至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，通过组合式微惯性测量装置测量时即可使得测量装置的总体性能得到明显改善，提高测量精度。

进一步地，组合式微惯性测量装置分为设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元。由于同一批次的微惯性测量单元有很大可能具有方向相同、数值相似的陀螺零偏误差，因此设置2组设置于安装平台的正面和背面的微惯性测量单元，更容易降低误差对测量的影响。

进一步地，所述微惯性测量单元的陀螺第一单轴垂直于所述安装平台，陀螺第一单轴为x轴或y轴或z轴。令陀螺第一单轴垂直于所述安装平台，便于后续进行计算处理。根据实际测量需要可选择陀螺第一单轴为x轴或y轴或z轴。

进一步地，所述设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元分别包括至少2个微惯性测量单元，所述2组微惯性测量单元的陀螺第一单轴正向为相反方向，各组中的微惯性测量单元紧密排列且根据中心点对称设置，各组中的微惯性测量单元的除陀螺第一单轴之外的各轴的正向彼此间隔角度相同。对于采用多位置法的加速度标定方法，通过设置具有相同的陀螺第一单轴输出方向的N个微惯性测量单元的陀螺x轴正向彼此间隔角度相同且根据中心点对称设置，可以实现多位置加速度标定方法中不同位置的各个微惯性测量单元的误差的抵消，并且可以提高组合式微惯性测量装置的加速度测量精度。

进一步地，设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元具有相同数量的微惯性测量单元。同一批次的微惯性测量单元有很大可能具有方向相同、数值相似的陀螺零偏误差。因此可以通过简单地布置两组具有相反陀螺第一单轴输出方向的微惯性测量单元，使得处于异面的微惯性测量单元的陀螺第一单轴输出中所包含的零偏可以最大程度的相互抵消，降低误差影响。即使没有高精度转台进行陀螺标定，也可以最大程度上保持航向角，从而改善导航定位的精度。因此，将2组微惯性测量单元分别设置于安装平台的正面和背面，可以进一步地降低误差影响。

进一步地，组合式微惯性测量装置包括4个或8个微惯性测量单元。

相比于现有的微惯性测量装置，本发明具有如下的优点和效果：

(1)利用多个廉价的微惯性测量单元进行组合即可构造较高性能的惯性测量系统，节省了成本；相比较采用单个微惯性测量单元的系统来说，本发明中提出的组合式微惯性测量装置有更高的可靠性，应对突发状况更具有优势；

(2)利用多个微惯性测量单元提供测量数据实现测量数据的多样性，利用测量数据的多样性降低惯性器件在工作中掺杂的随机误差，使得组合后的组合式微惯性测量装置的陀螺零偏受温度变化的影响更小，有效的抑制单个微惯性测量单元的随机误差影响，提高定位精度；

(3)本发明的组合式微惯性测量装置，在对精度要求不是太高的情况下，可以省去利用高精度转台对陀螺校准的过程，降低了校准成本和校准难度；

(4)通过温度标定对微惯性测量单元进行组合，降低了温度变化对陀螺零偏的影响，实现了有效的陀螺误差补偿，使得对陀螺零偏的校准更为简单；

(5)通过具有相同的陀螺第一单轴输出方向的多个微惯性测量单元的陀螺x轴正向彼此间隔角度相同且根据中心点对称设置，可以降低多位置法加速度标定的标定误差。

附图说明

图1为本发明的微惯性测量单元筛选方法流程图；

图2(a)为本发明的组合式微惯性测量装置中设置于安装平台正面的4个微惯性测量单元的布置示意图，其中ox_MIMUy_MIMUz_MIMU表示组合式微惯性测量装置的坐标系；o₁x₁y₁z₁、o₂x₂y₂z₂、o₃x₃y₃z₃、o₄x₄y₄z₄表示单个微惯性测量单元测量的坐标系，且o、o₁、o₂、o₃、o₄分别为相应坐标系的坐标原点；

图2(b)为本发明的组合式微惯性测量装置的分别设置于安装平台的正面和背面的2个微惯性测量单元的布置示意图，其中ox_MIMUy_MIMUz_MIMU表示组合式微惯性测量装置的坐标系；o₅x₅y₅z₅、o₆x₆y₆z₆表示单个微惯性测量单元测量的坐标系，其中，代表x轴方向为垂直纸面向外的方向，代表x轴方向为垂直纸面向里的方向，且o、o₅、o₆分别为相应坐标系的坐标原点；

图3为温度区间内组合式微惯性测量装置的陀螺z轴输出以及分别设置于安装平台的正面、背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴角速度的对比图，其中曲线①表示温度区间内设置于安装平台的正面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴角速度，曲线②表示温度区间内组合式微惯性测量装置的陀螺z轴角速度，曲线③表示温度区间内设置于安装平台的背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴角速度，其中组合式微惯性测量装置包括设置于安装平台的正面和背面的微惯性测量单元；

图4为静止条件下，组合式微惯性测量装置随时间变化的z轴姿态解算结果以及分别设置于安装平台的正面、背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴姿态解算结果对比图，其中曲线①表示表示静止条件下设置于安装平台的正面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴姿态解算结果，曲线②表示静止条件下组合式微惯性测量装置随时间变化的z轴姿态解算结果，曲线③表示表示静止条件下设置于安装平台的背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴姿态解算结果，其中组合式微惯性测量装置包括设置于安装平台的正面和背面的微惯性测量单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

如图1—4所示，一种组合式微惯性测量装置，包括至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，微惯性测量单元设置于安装平台上。

组合式微惯性测量装置中，微惯性测量单元的设置有2种方案：

(1)所有微惯性测量单元设置于安装平台的同一面；

(2)微惯性测量单元可分为设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元。

考虑到惯性导航应用在室内定位这一场合时，其航向角的精度对导航定位的精度影响较大，且同一批次的微惯性测量单元有很大可能具有方向相同、数值相似的陀螺零偏误差。因此采用方案(2)中的布置方式，相比于方案(1)，可以进一步降低误差影响，实现精度更高的测量。

进一步地，可令微惯性测量单元的陀螺第一单轴垂直于所述安装平台，可以进一步简化计算过车工。本发明中的陀螺第一单轴以z轴为例，对于x轴、y轴的处理方法相似。同时，也可设置安装平台正面和背面的微惯性测量单元为相同的个数，也可简化计算。考虑到运算的复杂程度，组合式微惯性测量装置一般由4个或8个微惯性测量单元组成，即在安装平台的正面、背面分别设置2个或4个微惯性测量单元。若需要更改的惯性测量精度，也可采用12个、16个甚至更多的微惯性测量单元的组合。

组合式微惯性测量装置中的微惯性测量单元根据微惯性测量单元筛选方法得到，所述筛选方法以组合式微惯性测量装置的陀螺z轴零偏数据随温度变化的曲线拟合方差最小为标准对微惯性测量单元进行筛选。所述筛选方法包括如下步骤：

(1)采集并计算各个微惯性测量单元内随温度变化的陀螺z轴零偏数据

首先将N个待选微惯性测量单元放置在恒温箱中，其中N≥2。设定全温度范围的温度变化区间为[T_min,T_max]，从T_min开始，每隔ΔT，在各个温度时采集多个陀螺z轴零偏数据，其中ΔT可设置为0.1℃、0.2℃、0.5℃、1℃、2℃或5℃，或其他便于实际测量的值，其中T_min、T_max的值根据实际应用中惯性测量装置的工作温度范围而确定，一般情况下，令T_min≥0℃，T_max≤90℃。可选择温度变化区间为[5℃,85℃]，每隔ΔT＝1℃调节一次恒温箱的温度，分别对待选微惯性测量单元采集陀螺z轴零偏数据，将所采集的多个数据取均值，得到第i个惯性测量单元在温度T时的陀螺z轴零偏数据为T为采集数据时的温度，其中上标i代表微惯性测量单元的序号，1≤i≤N，则全温度范围内，第i个微惯性测量单元的陀螺z轴零偏数据为

${\mathrm{MIMU}}^i=\[{\mathrm{MIMU}}_{T_{min}}^i,{\mathrm{MIMU}}_{T_{min}+\mathrm{\Δ}T}^i,...,{\mathrm{MIMU}}_{T_{max}}^i\];$

(2)随机选择m个微惯性测量单元设置于安装平台上，得到Q个组合式微惯性测量装置，其中2≤m≤N；

(3)计算各个微惯性测量单元的测量坐标系与组合式微惯性测量装置的测量坐标系之间的角速度转换矩阵

所述微惯性测量单元可测量三轴加速度。假定加速度测量坐标系与角速度测量坐标系的x、y、z轴分别平行。

将各个微惯性测量单元安装到安装平台后，由于安装时可能存在误差，因此想要确定组合式微惯性测量装置的陀螺z轴零偏数据，可以计算各个微惯性测量单元的测量坐标系与组合式微惯性测量装置的测量坐标系之间的转换矩阵。组合式微惯性测量装置的测量结果为各个微惯性测量单元的测量结果分别与相应的转换矩阵相乘的乘积之和。

第i个惯性测量单元的加速度测量坐标系与组合式微惯性测量装置的加速度测量坐标系之间的加速度转换矩阵为

$R_i^a=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}& b_{i,x}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}& b_{i,y}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}& b_{i,z}\end{array}\right],$

其中η_i,xx,η_i,yy,η_i,zz为第i个微惯性测量单元的刻度系数，b_i,x、b_i,y、b_i,z分别为对应零偏，η_i,xy、η_i,xz、η_i,yx、η_i,yz、η_i,zx、η_i,zy分别代表第i个微惯性测量单元测量坐标系三轴间的非正交误差和安装误差系数。

求得第i个惯性测量单元的加速度转换矩阵即可得到角速度转换矩阵第i个惯性测量单元的角速度测量坐标系与组合式微惯性测量装置的角速度测量坐标系之间的角速度转换矩阵为

$R_i^v=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}\end{array}\right].$

通过测量加速度实际测量矩阵和加速度理论测量矩阵，利用多位置法即可得到加速度转换矩阵所述多位置法包括：

①将组合式微惯性测量装置放置在多面体的中轴面上，并将多面体放置在水平面上；

②利用多位置法，依次改变多面体与水平面的接触面，计算第i个微惯性测量单元在不同接触面时的加速度实际测量矩阵

$Y_i=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{i,1,x}^{m\_imu}& a_{i,2,x}^{m\_imu}& \mathrm{...}& a_{i,J,x}^{m\_imu}\\ a_{i,1,y}^{m\_imu}& a_{i,2,y}^{m\_imu}& \mathrm{...}& a_{i,J,y}^{m\_imu}\\ a_{i,1,z}^{m\_imu}& a_{i,2,z}^{m\_imu}& \mathrm{...}& a_{i,J,z}^{m\_imu}\end{array}\right],$

其中i＝1,2,…,m，J为采用的多位置法的位置个数，J不小于4，J的常用取值为4、6、8、12、16、24，Y_i为3×J阶矩阵；

③计算各个微惯性测量单元在不同接触面时的加速度理论测量矩阵X_i为

$X_i=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{i,1,x}^{ideal}& a_{i,2,x}^{ideal}& \mathrm{...}& a_{i,J,x}^{ideal}\\ a_{i,1,y}^{ideal}& a_{i,2,y}^{ideal}& \mathrm{...}& a_{i,J,y}^{ideal}\\ a_{i,1,z}^{ideal}& a_{i,2,z}^{ideal}& \mathrm{...}& a_{i,J,z}^{ideal}\\ 1& 1& \mathrm{...}& 1\end{array}\right],$

其中X_i为4×J阶矩阵，加速度理论测量值即为重力加速度与相应角度的三角函数值的乘积；

④根据获得加速度实际测量矩阵Y_i和加速度理论测量矩阵X_i，构建组合式微惯性测量装置转换模型如下：

$Y_i=R_i^a{X}_i.$

利用最小二乘法，使得式取最小值，求解可得加速度转换矩阵即可求得角速度转换矩阵

(4)计算组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺z轴零偏数据

对每一个组合式微惯性测量装置，根据各个微惯性测量单元随温度变化的陀螺z轴零偏数据以及相应的角速度转换矩阵计算组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺z轴零偏数据，则包含m个微惯性测量单元的单个组合方案的组合式微惯性测量装置在全温度区间内的陀螺z轴输出即为各个微惯性测量单元的陀螺z轴零偏数据与相应的转换矩阵的乘积；

(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到Q个组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺z轴零偏数据；

(6)曲线拟合与拟合方差的计算

对Q个组合式微惯性测量装置的陀螺z轴零偏数据随温度变化的曲线分别进行拟合，并计算曲线的拟合方差。

由于组合式微惯性测量装置中陀螺z轴零偏随温度变化的理想曲线为直线，利用最小二乘法拟合的方法获得其在温度区间[T_min,T_max]内的陀螺z轴零偏随温度变化的拟合曲线L_{M_MIMU}，并计算拟合方差。选择Q个组合中拟合方差最小的组合，得到筛选的微惯性测量单元，将筛选得到的微惯性测量单元构成组合式微惯性测量装置；

(7)选择Q个组合式微惯性测量装置中曲线的拟合方差最小的组合式微惯性测量装置作为所需的组合式微惯性测量装置。

如图2(a)和图2(b)所示，假定筛选得到8个微惯性测量单元，且将其分为2组，每组各包含4个微惯性测量单元，所述2组微惯性测量单元的陀螺z轴正向为相反方向，并且各组微惯性测量单元分别为紧密排列且采用顺时针排列，即微惯性测量单元的陀螺x轴正向彼此间隔角度相同且根据中心点对称设置。这样做的好处在于通过筛选使得处于异面的微惯性测量单元的陀螺z轴输出中所包含的陀螺z轴零偏可以最大程度的相互抵消，在这种情况下，即使没有高精度转台进行陀螺标定，也可以最大程度上保持航向角，从而改善导航定位的精度。

以上描述了本发明的主要方面，下面以具体仿真试验结果对本发明进行说明。

图3中给出仿真实验中获得一组筛选组合方案的结果对比图，即温度区间内组合式微惯性测量装置的陀螺z轴输出以及分别设置于安装平台的正面、背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴角速度的对比图。从图3中的曲线①、③可以看出，对于单个微惯性测量单元，其零偏随温度变化较大，且无规则，但是经过对微惯性测量单元筛选之后，构成组合式微惯性测量装置，由曲线②可以看出组合式微惯性测量装置的零偏可以保持在较小的范围内，受温度影响较小，更加稳定，易于对其进行补偿。

图4为静止条件下，组合式微惯性测量装置随时间变化的z轴姿态解算结果以及分别设置于安装平台的正面、背面的单个微惯性测量单元的陀螺z轴姿态解算结果对比图。从图4中的曲线①、③可以看出，对于单个微惯性测量单元，静止条件下，对陀螺z轴姿态结算结果(陀螺z轴角度)随时间变化而变化较大，因此误差也较大。但对于组合式微惯性测量装置，由曲线②可以看出，随时间变化的陀螺z轴姿态结算结果明显受误差的影响更小，可以实现更准确的航向角测量。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种微惯性测量单元筛选方法，其特征在于：所述筛选方法以组合式微惯性测量装置的陀螺第一单轴零偏数据随温度变化的曲线拟合方差最小为标准对微惯性测量单元进行筛选，所述陀螺第一单轴为x轴或y轴或z轴；所述组合式微惯性测量装置包括安装平台和至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元，所述微惯性测量单元设置于安装平台上；所述筛选方法包括如下步骤：

(1)对待选的N个微惯性测量单元，采集并计算各个微惯性测量单元随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据，其中N≥2；

(2)随机选择m个微惯性测量单元设置于安装平台上，得到Q个组合式微惯性测量装置，其中2≤m≤N；

(3)对每一个组合式微惯性测量装置，计算各个微惯性测量单元的角速度测量坐标系与组合式微惯性测量装置的角速度测量坐标系之间的角速度转换矩阵；

(4)对每一个组合式微惯性测量装置，根据各个微惯性测量单元随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据以及相应的角速度转换矩阵，计算组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据；

(5)对Q个组合式微惯性测量装置，重复步骤2)至步骤4)，得到Q个组合式微惯性测量装置随温度变化的陀螺第一单轴零偏数据；

(6)对Q个组合式微惯性测量装置的陀螺第一单轴零偏数据随温度变化的曲线分别进行拟合，并计算曲线的拟合方差；

(7)选择Q个组合式微惯性测量装置中曲线的拟合方差最小的组合式微惯性测量装置作为所需的组合式微惯性测量装置。

2.根据权利要求1所述的微惯性测量单元筛选方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述陀螺第一单轴零偏数据由同一温度下所采集的多个数据取均值得到。

3.根据权利要求1所述的微惯性测量单元筛选方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，所述角速度转换矩阵通过多位置法得到，所述多位置法包括如下步骤：

(1)利用多位置法，改变组合式微惯性测量装置的姿态，计算第i个微惯性测量单元在不同姿态静置时的加速度实际测量矩阵Y_i；

(2)计算第i个微惯性测量单元在不同接触面时的加速度理论测量矩阵X_i；

(3)根据加速度实际测量矩阵Y_i和加速度理论测量矩阵X_i，构建组合式微惯性测量装置中第i个微惯性测量单元的加速度转换模型如下：

$Y_i=R_i^a{X}_i,$

其中加速度转换矩阵为

$R_i^a=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}& b_{i,x}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}& b_{i,y}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}& b_{i,z}\end{array}\right],$

其中η_i,xx,η_i,yy,η_i,zz为第i个微惯性测量单元的刻度系数，b_i,x、b_i,y、b_i,z分别为对应零偏，η_i,xy、η_i,xz、η_i,yx、η_i,yz、η_i,zx、η_i,zy分别代表第i个微惯性测量单元测量坐标系三轴间的非正交误差和安装误差系数；

(4)利用最小二乘法，即可求解得到加速度转换矩阵即可得到角速度转换矩阵为

$R_i^v=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\η}}_{i,xx}& {\mathrm{\η}}_{i,xy}& {\mathrm{\η}}_{i,xz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,yx}& {\mathrm{\η}}_{i,yy}& {\mathrm{\η}}_{i,yz}\\ {\mathrm{\η}}_{i,zx}& {\mathrm{\η}}_{i,zy}& {\mathrm{\η}}_{i,zz}\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的微惯性测量单元筛选方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，通过最小二乘法拟合组合式微惯性测量装置随温度变化的曲线。

5.一种组合式微惯性测量装置，其特征在于：包括安装平台和设置于安装平台上的至少2个可测量三轴角速度的微惯性测量单元。

6.根据权利要求5所述的组合式微惯性测量装置，其特征在于：所述组合式微惯性测量装置分为设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元。

7.根据权利要求5或6所述的组合式微惯性测量装置，其特征在于：所述微惯性测量单元的陀螺第一单轴垂直于所述安装平台，所述陀螺第一单轴为x轴或y轴或z轴。

8.根据权利要求7所述的组合式微惯性测量装置，其特征在于：所述设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元分别包括至少2个微惯性测量单元，所述2组微惯性测量单元的陀螺第一单轴正向为相反方向，各组中的微惯性测量单元紧密排列且根据中心点对称设置，各组中的微惯性测量单元的除陀螺第一单轴之外的各轴的正向彼此间隔角度相同。

9.根据权利要求6所述的组合式微惯性测量装置，其特征在于：所述设置于安装平台的正面和背面的2组微惯性测量单元具有相同数量的微惯性测量单元。

10.根据权利要求5或6所述的组合式微惯性测量装置，其特征在于，所述组合式微惯性测量装置包括4个或8个微惯性测量单元。