CN106123924B - 一种陀螺仪的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陀螺仪的温度补偿方法，陀螺仪集成于惯性系统产品中，其包括：对陀螺仪进行温度标定以在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时得到从第二温度至第一温度的第一温度标定曲线以及从第二温度至第三温度的第三温度标定曲线，在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度时得到从第一温度值至第三温度的第二温度标定曲线；在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度，则基于第二温度标定曲线来补偿惯性系统产品的陀螺仪温漂，在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，则基于第一温度标定曲线和第三温度标定曲线来补偿并校准惯性系统产品的陀螺仪温漂。这样，解决了惯性系统产品中的陀螺仪的异常偏置温漂的温度补偿问题。

Description

一种陀螺仪的温度补偿方法

【技术领域】

本发明涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺仪的温度补偿领域，特别涉及惯性系统产品集成的陀螺仪的温度补偿方法。

【背景技术】

MEMS陀螺仪很容易发生温漂，而且捷联惯性系统产品中的MEMS陀螺仪会出现异常偏置温漂，很难用现有的多阶多项式拟合方法来补偿惯性系统产品的陀螺仪的异常偏置温漂。

请参考图1所示，其为在一个实施例中，对没有异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图。请参考图2(a)所示，其为对捷联惯性系统产品的样品1中，发生异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图；请参考图2(b)所示，其为对捷联惯性系统产品的样品2中，发生异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图。结合图1、图2(a)和2(b)可知，现有的多阶多项式拟合温度补偿方法(或求平均温补的方法)可以校准捷联惯性系统产品中如图1的陀螺仪的温漂，但无法校准捷联惯性系统产品中的如图2(a)和图2(b)的陀螺仪的异常偏置温漂的情况，比如图2(a)中的B点和E点，以及图2(b)中的K点和M点。这些异常偏置温漂导致了工厂批量生产的惯性系统产品存在较多的次品，浪费了大量物力和财力。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种陀螺仪的温度补偿方法，其解决了惯性系统产品中的陀螺仪的异常偏置温漂的温度补偿问题，提高了陀螺仪的使用率和惯性系统产品的成品率，降低了惯性系统产品的次品，节约了成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种陀螺仪温度补偿的方法，所述陀螺仪集成于惯性系统产品中。所述陀螺仪温度补偿的方法包括：对所述陀螺仪进行温度标定，其包括：将惯性系统产品放置于高低温交变试验箱里；对惯性系统产品进行温度标定测试，以在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时得到从第二温度至第一温度的第一温度标定曲线，在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度时得到从第一温度值至第三温度的第二温度标定曲线，以及在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时得到从第二温度至第三温度的第三温度标定曲线，对所述陀螺仪进行温度补偿，其包括：判断惯性系统产品是否达到过第三温度或第一温度；若已达到过第三温度或第一温度，则基于该惯性系统产品的第二温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂；若未达到过第三温度或第一温度，则判断该惯性系统产品的温度所在的温度区间，若该惯性系统产品的温度在第二温度至第三温度区间，则基于所述惯性系统产品的第三温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂；若该惯性系统产品的温度在第一温度至第二温度区间，则基于所述惯性系统产品的第一温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂，其中，第一温度小于第二温度，第二温度小于第三温度。

进一步的，所述对惯性系统产品进行温度标定测试步骤包括：在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第二温度至第一温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第一温度标定曲线；在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第一温度值至第三温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第二温度标定曲线；在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第二温度至第三温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第三温度标定曲线。

进一步的，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述惯性系统产品为捷联惯性导航系统产品。

进一步的，所述第一温度为-35度至-45度中的任一值，第二温度为大于第二温度且小于第三温度的任一值，第三温度为80度至90度的任一值。

进一步的，所述第一温度为-40度，所述第二温度为-10度至30度的任一温度值，所述第三温度为85度，重置所述惯性系统产品以使得其重新进入初始状态，此时所述惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度。

进一步的，第二温度标定曲线中的从第二温度至第一温度的曲线部分与第一温度标定曲线存在显著差别，第二温度标定曲线中的从第二温度至第三温度的曲线部分与第三温度标定曲线存在显著差别。

进一步的，所述惯性系统产品的温度由该惯性系统产品中的温度传感器感知并采集。

与现有技术相比，本发明中的陀螺仪的温度补偿方法包括温度标定步骤和温度补偿步骤，其解决了惯性系统产品中的陀螺仪的异常偏置温漂的温度补偿问题，提高了陀螺仪的使用率和惯性系统产品的成品率，降低了惯性系统产品的次品，节约了成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为在一个实施例中，对没有异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图；

图2(a)为对捷联惯性系统样品1中，发生异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图；

图2(b)为对捷联惯性系统样品2中，发生异常偏置温漂的MEMS陀螺仪的温度补偿示意图；

图3为在一个实施例中捷联惯性系统产品的结构示意图；

图4为本发明在一个实施例中的陀螺仪的温度补偿方法200的流程示意图；

图5为本发明在一个实施例中的温度标定步骤的流程图；

图6(a)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品1从25℃降至-40℃的第一温度标定曲线；

图6(b)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品2从25℃降至-40℃的第一温度标定曲线；

图7(a)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品1从-40℃升至85℃的第二温度标定曲线；

图7(b)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品2从-40℃升至85℃的第二温度标定曲线；

图8(a)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品1从25℃升至85℃的第三温度标定曲线；

图8(b)为本发明的一个实施例中捷联惯性系统样品2从25℃升至85℃的第三温度标定曲线；

图9(a)为捷联惯性系统样品1的温度标定的总体结构示意图；

图9(b)为捷联惯性系统样品2的温度标定的总体结构示意图；

图10(a)为采用本发明的三步标定法对惯性系统样品1进行多次标定后的总体结构示意图；

图10(b)为采用本发明中的三步标定法对惯性系统样品2进行多次标定后的总体结构示意图；

图11为本发明在一个实施例中的陀螺仪温度补偿步骤的流程图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连，间接电性相连是指经由另外一个器件或电路电性相连。

本发明需要首先标定捷联惯性系统产品的温度，当该捷联惯性系统产品中的MEMS陀螺仪出现如图9(a)所示的异常温度偏移B点和E点，以及图9(b)所示的异常温度偏移K点和M点时，我们采用本发明中特有的温度补偿方案来解决MEMS陀螺仪的温度补偿问题。

请参考图3所示，其为在一个实施例中，捷联惯性系统产品100的结构示意图。该捷联惯性系统产品100主要包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS地磁计、温度传感器、GPS模块等等。由于捷联惯性系统产品100中各个模块的功能及连接关系为本领域技术人员所熟知，且此部分内容并不涉及本发明的发明点，故在此不再赘述。本文中提到的陀螺仪的温度可以由捷联惯性系统产品100的温度传感器感知并采集。

请参考图4所示，其为本发明在一个实施例中的陀螺仪的温度补偿方法200的流程示意图。在图4所示的实施例中，捷联惯性系统产品的MEMS陀螺仪的温度补偿方法200主要包括两个部分：步骤210，对陀螺仪进行温度标定(简称“温度标定步骤210”)；步骤220，基于陀螺仪的温度标定结果，进行温度补偿(简称“温度补偿步骤220”)。

首先，对图4中的“温度标定步骤210”进行具体介绍。

请参考图5所示，其为本发明在一个实施例中的，温度标定步骤210的流程示意图。图5中的温度标定步骤210包括以下步骤：

步骤212，将捷联惯性系统产品放置于高低温交变试验箱里；

步骤214，对捷联惯性系统产品进行温度标定测试，其共分三步标定。

第一步标定2142，在高低温交变试验箱里测试该捷联惯性系统产品的三轴MEMS陀螺仪的数据随温度从室温(25℃)(即第二温度)逐渐降到-40℃(即第一温度)的变化而变化的情况，此步骤前惯性系统产品还未达到过80度或-40度。以捷联惯性系统样品1为例，从A点(室温25℃)开始记录标定数据，最后到达D点温度(-40℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图6(a)所示的第一温度标定曲线；以捷联惯性系统样品2为例，从J点(室温25℃)开始记录标定数据，经过异常偏置温度K点，最后到达L点温度(-40℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图6(b)所示的第一温度标定曲线。

第二步标定2144，在高低温交变试验箱里测试该捷联惯性系统产品的三轴MEMS陀螺仪的数据随温度从-40℃(即第一温度，或称最低温度)逐渐升到85℃(即第三温度，或称最高温度)的变化而变化的情况，由于经过了第一步标定2142，因此在第二步标定2144前所述惯性系统产品已达到过85度或-40度。以捷联惯性系统样品1为例，从D点(-40℃)开始记录标定数据，经过异常偏置温度E点，最后到达C点温度(85℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图7(a)所示的第二温度标定曲线；以捷联惯性系统样品2为例，从L点(-40℃)开始记录标定数据，经过异常偏置温度M点，最后到达N点温度(85℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图7(b)所示的第二温度标定曲线。

第三步标定2146，在高低温交变试验箱里测试该捷联惯性系统产品的三轴MEMS陀螺仪的数据随温度从室温(25℃)(即第二温度)逐渐上升到85℃(即第三温度)的变化而变化的情况，此步骤前惯性系统产品还未达到过80度或-40度。由于此前进行的第一步标定和第二步标定，需要重置所述惯性系统产品以使得其重新进入初始状态，所述重置可以通过重新上电的方式实现。以捷联惯性系统样品1为例，从A点(室温25℃)开始记录标定数据，经过偏置温度B点，最后到达C点温度(85℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图8(a)所示的第三温度标定曲线；以捷联惯性系统样品2为例，从J点(室温25℃)开始记录标定数据，最后到达N点温度(85℃)结束记录标定数据，并保存每个温度点上3轴MEMS陀螺仪的数据，从而得到图8(b)所示的第三温度标定曲线。

其中，将图6(a)、图7(a)和图8(a)所示的温度标定组合在一起，就可以得到捷联惯性系统样品1的温度标定的总体结构示意图，请参考图9(a)所示，其为捷联惯性系统样品1的温度标定的总体结构示意图。将图6(b)、图7(b)和图8(b)所示的温度标定曲线组合在一起，就可以得到捷联惯性系统样品2的温度标定的总体结构示意图，请参考图9(b)所示，其为捷联惯性系统样品2的温度标定的总体结构示意图。

需要特别说明的是，陀螺仪的温度标定曲线是矢量。其中，异常偏置温度(比如B、E、M、K点)是温度发生了特大偏移的温度点。

请参考图10(a)所示，其为采用本发明的步骤214中的三步标定法对惯性系统样品1进行多次标定后的总体结构示意图，请参考图10(b)所示，其为采用本发明中的步骤214中的三步标定法对惯性系统样品2进行多次标定后的总体结构示意图。在如图10(a)和图10(b)所示，陀螺仪的第一次温度标定曲线为虚线，标定步骤如上述的第一步标定2142至第三步标定2146的过程，捷联惯性系统样品1的异常偏置温度B点和E点发生在室温(25℃)至85℃区间，如图10(a)，在惯性系统产品达到过80度或-40度后，陀螺仪的温度标定曲线为实线，且各次的温度标定曲线相差不大，而第二温度标定曲线中的从25度至85度的曲线部分(A-E-C)与第三温度标定曲线(A-B-C)存在显著差别；捷联惯性系统样品2的异常偏置温度K点和M点发生在室温(25℃)至-40℃区间，如图10(b)，在惯性系统产品达到过80度或-40度后，陀螺仪的温度标定曲线为实线，且各次的温度标定曲线相差不大，而第二温度标定曲线中的从25度至-40度的曲线部分(J-M-L)与第一温度标定曲线(J-K-L)存在显著差别。

在第一次标定的基础上，在-40℃至85℃区间内，第二次重复标定陀螺仪温度，其第二次温度标定曲线为虚线，且第N次重复标定陀螺仪温度的第N次温度标定曲线与第二次温度标定曲线基本一致，N为大于2的自然数。由图10(a)和图10(b)可知，在非第一次温度标定时，只要陀螺仪的温度已达到过85℃或者-40℃，异常偏置温度B点和异常偏置温度K点就不存在了，异常偏置温度分别在E点和M点规律性的发生。

具体请参看图10(a)，捷联惯性系统样品1中，在对所述陀螺仪进行第一次温度标定时，惯性系统产品达到过80度或-40度后，其在从-40℃升至85℃的变化中，存在第一异常偏置温度E；在惯性系统产品未达到过80度或-40度时，其在25℃升至85℃的变化中，存在第二异常偏置温度B。

具体请参看图10(b)，捷联惯性系统样品2中，在对所述陀螺仪进行第一次温度标定时，惯性系统产品达到过80度或-40度后，其在从-40℃升至85℃的变化中，存在第一异常偏置温度M；惯性系统产品未达到过80度或-40度时，其在25℃降至-40℃的变化中，存在第二异常偏置温度K。

在一个改变的实施例中，可以改变第一步标定、第二步标定和第三步标定的顺序，比如先标定从室温(或称第二温度)到最高温度(或称第三温度)的数据，在标定从最高温度至最低温度(或称第一温度)的数据，之后重置所述惯性系统产品，使得惯性系统产品重新回到未到达过最高温度或最低温度的状态，再标定从室温至最低温度的数据。

基于上述对联惯性系统产品的陀螺仪的温度的标定过程，以及得到的异常偏置温度的分布规律，可以对陀螺仪进行如下温度补偿。

步骤220，基于陀螺仪的温度标定结果，进行温度补偿(简称“温度补偿部分220”)。

根据上述捷联惯性系统产品中的陀螺仪的温度标定步骤210，结合捷联惯性系统产品中的陀螺仪温度补偿算法，捷联惯性系统产品中的陀螺仪温度补偿步骤220如图11所示。

步骤222，判断捷联惯性系统产品是否达到过第三温度(85℃)点或者达到过第一温度(-40℃)点，若达到过第三温度(85℃)点或者达到过第一温度(-40℃)点，则执行步骤224，按照-40℃至85℃的第二温度标定曲线来补偿并校准捷联惯性系统产品的陀螺仪温漂；若该捷联惯性系统产品没有达到第三温度(85℃)点或者达到过第一温度(-40℃)点，再判断该捷联惯性系统产品的温度所在温度区间。例如，执行步骤225，判断该捷联惯性系统产品的温度是否在室温(25℃)至-40的区间，若在室温(25℃)至-40℃的区间，则执行步骤226，按照室内常温(25℃)至-40℃的第一温度标定曲线来补偿并校准捷联惯性导航系统产品的陀螺仪温漂；若不在室温(25℃)至-40℃的区间，即该捷联惯性系统产品的温度在室温(25℃)至85℃的区间，则按照室内常温(25℃)至85℃的第三温度标定曲线来补偿并校准捷联惯性系统产品的陀螺仪温漂。

需要特别说明的是，在上述实施例中，第一温度点为-40℃，第二温度点为25℃，第三温度点为85℃。在其他实施例中，所述第一温度可以为-35℃至-45℃中的任一值，第二温度为大于第二温度且小于第三温度的任一值，比如-10度至30度的任一温度值，第三温度可以为80℃至90℃的任一值。只要第一温度小于第二温度，第二温度小于第三温度，且捷联惯性系统产品的陀螺仪的异常偏置温度的分布规律满足：惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，存在异常偏置温度B点和异常偏置温度K点，而只要陀螺仪的温度达到过第三温度或者第一温度，异常偏置温度B点和异常偏置温度K点就不存在了，异常偏置温度分别在E点和M点规律性的发生。

综上所述，本发明中的陀螺仪的温度补偿方法包括温度标定步骤和温度补偿步骤，基于对陀螺仪的多次温度标定得出捷联惯性系统产品的陀螺仪的异常偏置温度的分布规律，并基于该规律选择在温度标定步骤中预先形成的温度标定曲线来补偿并校准捷联惯性系统产品的陀螺仪温漂，从而解决了陀螺仪在异常温度偏移时的温度补偿问题。这样，不仅弥补了多阶多项式拟合温补和求平均温补的不足之处，提高了惯性系统产品合格率，大大降低次品率，而且增加了惯性系统产品在全温范围内的稳定性。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，所述陀螺仪集成于惯性系统产品中，

所述陀螺仪温度补偿的方法包括：

对所述陀螺仪进行温度标定，其包括：

将惯性系统产品放置于高低温交变试验箱里；

对惯性系统产品进行温度标定测试，以在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时得到从第二温度至第一温度的第一温度标定曲线，在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度时得到从第一温度值至第三温度的第二温度标定曲线，以及在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时得到从第二温度至第三温度的第三温度标定曲线，

其中，所述第一温度标定曲线、第二温度标定曲线和第三温度标定曲线中包括异常偏置温度点，

对所述陀螺仪进行温度补偿，其包括：

判断惯性系统产品是否达到过第三温度或第一温度；

若已达到过第三温度或第一温度，则基于该惯性系统产品的第二温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂；

若未达到过第三温度或第一温度，则判断该惯性系统产品的温度所在的温度区间，若该惯性系统产品的温度在第二温度至第三温度区间，则基于所述惯性系统产品的第三温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂；若该惯性系统产品的温度在第一温度至第二温度区间，则基于所述惯性系统产品的第一温度标定曲线来补偿并校准所述惯性系统产品的陀螺仪温漂，

其中，第一温度小于第二温度，第二温度小于第三温度。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

所述对惯性系统产品进行温度标定测试步骤包括：

在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第二温度至第一温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第一温度标定曲线；

在惯性系统产品已达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第一温度值至第三温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第二温度标定曲线；

在惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度时，记录并保存从第二温度至第三温度的过程中，每个温度点上陀螺仪的数据，以得到第三温度标定曲线。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述惯性系统产品为捷联惯性导航系统产品。

4.根据权利要求2所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

所述第一温度为-35度至-45度中的任一值，第二温度为大于第二温度且小于第三温度的任一值，第三温度为80度至90度的任一值。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

所述第一温度为-40度，所述第二温度为-10度至30度的任一温度值，所述第三温度为85度，

重置所述惯性系统产品以使得其重新进入初始状态，此时所述惯性系统产品未达到过第三温度或第一温度。

6.根据权利要求2所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

第二温度标定曲线中的从第二温度至第一温度的曲线部分与第一温度标定曲线存在显著差别。

7.根据权利要求2所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

第二温度标定曲线中的从第二温度至第三温度的曲线部分与第三温度标定曲线存在显著差别。

8.根据权利要求1-7任一所述的陀螺仪温度补偿的方法，其特征在于，

所述惯性系统产品的温度由该惯性系统产品中的温度传感器感知并采集。