CN106767805B

CN106767805B - 基于mems传感器阵列的高精度惯性量测量方法及测量系统

Info

Publication number: CN106767805B
Application number: CN201710011724.XA
Authority: CN
Inventors: 尹亮亮; 李少斌; 张羽
Original assignee: Shanghai Topxgun Robotics Co ltd
Current assignee: Shanghai Topxgun Robotics Co ltd
Priority date: 2017-01-08
Filing date: 2017-01-08
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2037-01-08
Also published as: CN106767805A

Abstract

本发明具体涉及一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，包括步骤：S1、构建三维空间正交坐标系；S2、在无人机机体上设置多个相同型号的三轴MEMS惯性传感器，三轴MEMS惯性传感器包含x测量轴、y测量轴和z测量轴，三个测量轴的方向分别与三个坐标方向中的其一方向相同，每个坐标方向均含有x测量轴、y测量轴和z测量轴；S3、获取空间坐标系下同时刻三个坐标方向上各传感器的三轴测量值,并对各测量值进行校准；S4、采用自适应加权平均算法对步骤S3所校准后的测量值进行融合计算，得出基于MEMS传感器阵列的各坐标方向的惯性量融合值。该惯性量测量方法，在降低成本的同时更加准确地测量飞行器的惯性量，实现精准控制。

Description

基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及无人机的惯性导航技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法及测量系统。

背景技术

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。目前，随着科技的发展，无人机技术日趋成熟，无人机以其速度快、操作灵活的特点被广泛应用。民用领域、地图测绘无人机、地质勘测无人机、灾害监测无人机、气象探测无人机、空中交通管制无人机、边境控制无人机、通信中继无人机、农药喷洒无人机、救援无人机的研究和应用在国内外都在不断的发展中。

在无人机控制系统中，惯性测量装置是其中的核心部件，可以获得无人飞行器的姿态信息及位置信息，从而实现完全自我导航。随着技术的发展，目前微惯性器件已经得到了广泛的应用。

惯性测量装置的具体工作原理如下：陀螺仪检测飞行器的三轴角速率，加速度计检测飞行器沿着三轴运动的线性加速度，控制器分别对陀螺仪和加速计测量出的数据信号进行分析处理，得出飞行器的瞬时航行速度信息，推算出飞行器航行的距离和位置。

现有惯性测量装置所采用的传感器包括低成本MEMS（即微机电系统，Microelectro Mechanical Systems）传感器和高精度MEMS传感器，低成本MEMS传感器的体积小、重量轻、性能稳定，但是精度不高，尤其是低成本MEMS加速度计，在无人机震动较大时，加速度计噪声往往很大，大大降低了惯性测量装置测量的准确性；而高精度MEMS传感器的价格较为昂贵，是低成本MEMS传感器的十倍，甚至是二十倍以上，因此成本较高。

由此可见，能否基于现有技术的不足，提供一种成本低且精度高的惯性量测量方法及测量系统，成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法和测量系统，其能更佳准确地测量飞行器的惯性量，实现精准控制，降低了成本。

为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：

一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，包括如下步骤：

S1、构建三维空间正交坐标系，包括x方向、y方向和z方向；

S2、在无人机机体上设置多个相同型号的三轴MEMS惯性传感器，所述三轴MEMS惯性传感器包含x测量轴、y测量轴和z测量轴，三个测量轴的方向分别与三个坐标方向中的其一方向相同，每个坐标方向均含有x测量轴、y测量轴和z测量轴；

需要说明的是，三轴MEMS惯性传感器设置在步骤S1构建的三维空间正交坐标系内，三个测量轴可以沿着空间坐标系下的x方向、y方向和z方向中的任一方向设置，本发明中所指的x方向、y方向和z方向均为x正方向、y正方向和z正方向，三个测量轴的方向均指正方向。

即对于同一传感器，若x测量轴沿着y方向设置，则y测量轴可以沿着x方向或z方向设置，z测量轴可以沿着z测量轴或x测量轴方向设置，但需保证每个坐标方向上均含有x测量轴、y测量轴和z测量轴；在某些实施例中，同一坐标方向上含有相同数量的x测量轴、y测量轴和z测量轴时，测量精度较佳，且至少设有三个相同的三轴MEMS惯性传感器。

S3、获取空间坐标系下同时刻三个坐标方向上各传感器的三轴测量值为

、、、 …… ,并对各测量值进行校准，校准后的测量值为：

其中, n为传感器的个数，为校准矩阵，为三维列向量，为三维列向量，为高斯白噪声；，包含对传感器量程和偏移的校准；

S4、采用自适应加权平均算法对步骤S3所校准后的测量值进行融合计算，得出基于MEMS传感器阵列的各坐标方向的惯性量融合值。

所采用的为低成本三轴MEMS惯性传感器，且三个坐标方向的融合过程同时进行。

需要说明的是，校准矩阵需要标定得到，实质上校准矩阵

其中，代表传感器X轴上的量程增益，代表Y测量轴对X测量轴的交叉影响因子，代表X测量轴的偏移量；

对于三轴加速度计，通过六面校准法求取校准矩阵，将三轴加速度计放置在六个不同的位置，参阅图5，得出六个不同方程：

由上面（1）-（6）公式两两相加可得：

通过上述公式可计算得到、和，从而得出：

= =

由此求得矩阵

针对三轴陀螺仪，在实际操作中，校准矩阵的求取较为简单，校准矩阵为：

通过采集数据求平均值得到零偏、和，从而求取校准矩阵。

进一步地，所述步骤S4的具体融合过程为：

a）、多个相同传感器噪声特性相同，所产生的高斯白噪声累计求和后噪声相

互抵消，即=0；

b）、多个传感器同时刻所测得数据的融合值为：

其中，，；

为多个传感器同时刻所测得数据的融合值；

c）、各传感器k时刻的方差为：

，

其中，=, 为期望值，为k-1时刻的融合值；

d）、各传感器同一时刻的权重分别为、、……，权重与传感器的方差满足：

Var()为各传感器的方差。

在一些实施例中，所述S2步骤中三轴MEMS惯性传感器为多个相同的三轴陀螺仪和/或多个相同的三轴加速度计。即无人机上设有多个相同的三轴陀螺仪或多个相同的三轴加速度计，也可设置多个陀螺仪和多个加速度计，陀螺仪和加速度计分别采用S2～S5的步骤进行测量。至少采用三个陀螺仪或三个加速度计或三个陀螺仪和三个加速度计。

以上测量方法适用于阵列排布的三轴陀螺仪或阵列排布的三轴加速度计。所采用的三轴陀螺仪型号为L3G4200D，三轴加速度计的型号为ADXL345或其它型号低成本三轴加速度计。

在某些实施例中，所述S2步骤中的三轴MEMS惯性传感器设置在三个两两正交的传感器电路板上，每个传感器电路板上设有多个相同的三轴MEMS惯性传感器。

在一些实施例中，所述S2～S5步骤中三轴MEMS惯性传感器输出的数字信号传输给微处理器。

微处理器对每个坐标方向上传感器测量轴所测量的数据进行加权平均融合，再进一步根据坐标系下x方向、y方向和z方向的融合值解算出无人机的飞行姿态；所述无人机飞行控制器与舵机控制模块连接，所述舵机控制模块用于控制无人机飞行控制器对无人机的飞行航道和飞行姿态自动进行调整。

所述微处理器采用的芯片为STM32F407VGT6。

我们还提供了一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，包括惯性测量模块和微处理器，所述惯性测量模块包括三个两两正交的第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板，三个传感器电路板上分别阵列排布有相同型号的三轴MEMS惯性传感器，各传感器分别与微处理器连接，所述微处理器与无人机飞行控制器连接。

在一些实施例中，所述三轴MEMS惯性传感器为三轴陀螺仪和/或三轴角加速度计。

进一步地，在一些实施例中，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板均为印刷电路板，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板的一端分别竖直插接于水平设置的第三传感器电路板上。

在一些实施例中，还包括电路板支撑架，所述电路板支撑架为立方体框架，三个传感器电路板分别安装在立方体框架上的三个两两正交的平面上。所采用的立方体框架为刚性框架，各电路板之间通过软排线电连接，使得满足两两正交的传感器电路板所占的空间小，另一方面，大大提高了测量的精度。

在一些实施例中，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板均容置于外壳内。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明提供的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法及测量系统，通过在三个两两正交的传感器电路板上分别阵列排布相同型号的低成本三轴MEMS惯性传感器，利用不同测量轴测量精度不同的特性以及在相同环境下传感器测量噪声具有相关性、求和后抵消高斯白噪声，通过采用加权平均融合的方法获取传感器的精确测量值，在降低成本的同时更加准确地测量飞行器的惯性量，实现精准控制。

附图说明

图1为本发明实施例基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法的流程图；

图2为本发明实施例1中惯性测量模块的结构示意图；

图3为本发明实施例1中另一种惯性测量模块的结构示意图；

图4为图3中电路板支撑架的结构示意图；

图5为三轴加速度计获取校准矩阵过程中的六个位置示意图；

图6为本发明实施例3中传感器阵列排布示意图。

图中，

1、第一传感器电路板；2、第二传感器电路板；3、第三传感器电路板；4、三轴MEMS惯性传感器；5、电路板支撑架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

本发明实施例提供了一种无人机，在本较佳实施例中，所述无人机包括一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，该测量系统包括惯性测量模块和微处理器，所述惯性测量模块包括三个两两正交的第一传感器电路板1、第二传感器电路板2和第三传感器电路板3；在本较佳实施例中，所述第一传感器电路板1、第二传感器电路板2和第三传感器电路板3均为印刷电路板，参阅图2，所述第一传感器电路板1、第二传感器电路板2的一端分别竖直插接于水平设置的第三传感器电路板3上。

在其他较佳实施例中，参阅图3和4，还包括电路板支撑架5，所述电路板支撑架5为立方体框架，三个传感器电路板分别安装在立方体框架上的三个两两正交的平面上。所采用的立方体框架为刚性框架。

在本较佳实施例中，三个传感器电路板上分别阵列排布有相同型号的三轴MEMS惯性传感器4，各传感器分别与微处理器连接，所述微处理器与无人机飞行控制器连接。

所述三轴MEMS惯性传感器为三轴陀螺仪和/或三轴角加速度计。在本较佳实施例中，所采用的三轴陀螺仪型号为L3G4200D，三轴加速度计的型号为ADXL345；所述微处理器采用的芯片为STM32F407VGT6。

为了增强结构稳定性，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板均容置于外壳内。

实施例2：

本实施例还提供了基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，参阅图1，包括如下步骤：

S1、构建三维空间正交坐标系，包括x方向、y方向和z方向；

、、、 …… ,并对各测量值进行校准，校准后的测量值为：

在本较佳实施例中，所述步骤S3的具体融合过程为：

互抵消，即=0；

b）、多个传感器同时刻所测得数据的融合值为：

其中，，；

为多个传感器同时刻所测得数据的融合值；

c）、各传感器k时刻的方差为：

，

其中，=, 为期望值，为k-1时刻的融合值；

Var()为各传感器的方差。

所述S2～S5步骤中三轴MEMS惯性传感器输出的数字信号传送给微处理器，所述微处理器与无人机飞行控制器连接。微处理器对各坐标方向上相同传感器测量轴测量的数据进行加权平均融合，再进一步根据x方向、y方向和z方向的融合值解算出无人机的飞行姿态；所述无人机飞行控制器与舵机控制模块连接，所述舵机控制模块用于控制无人机飞行控制器对无人机的飞行航道和飞行姿态自动进行调整。

在本较佳实施例中，所述三轴MEMS惯性传感器为多个相同的三轴陀螺仪和/或多个相同的三轴加速度计。通过阵列排布的三轴陀螺仪精确地测得沿三个轴向运动的角速度，通过阵列排布的三轴加速度计精确获取三个轴向运动的加速度。

所采用的三轴陀螺仪型号为L3G4200D，三轴加速度计的型号为ADXL345或其它型号低成本三轴加速度计。所述微处理器采用的芯片为STM32F407VGT6。

实施例3：

在本较佳实施例中，在实施例2的基础上，所述S2步骤中的三轴MEMS惯性传感器设置在三个两两正交的传感器电路板上，每个传感器电路板上设有多个相同的三轴MEMS惯性传感器。在本实施例中，所述三轴MEMS惯性传感器为三轴加速度计。

参阅图6，三个两两正交的传感器电路板构成了测量正交坐标平面，包括第一传感器电路板1、第二传感器电路板2和第三传感器电路板3，每个电路板上均阵列排布有多个等量且相同的传感器，同一电路板上各传感器的排列方式相同，即第一传感器电路板1上传感器X测量轴、y测量轴和z测量轴分别与空间坐标系的x方向、y方向和z方向一致, 第二传感器电路板2上传感器X测量轴、y测量轴和z测量轴分别与空间坐标系的y方向、z方向和x方向一致, 第三传感器电路板3上传感器X测量轴、y测量轴和z测量轴分别与空间坐标系的z方向、x方向和y方向一致；每个传感器电路板上至少设有一个三轴MEMS惯性传感器。

采用上述阵列排布方式，各传感器所测得的数据经过实施例2中的步骤融合后更加精确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建三维空间正交坐标系，包括x方向、y方向和z方向；

S3、获取空间坐标系下同时刻三个坐标方向上各传感器的三轴测量值为X₁、X₂、X₃、X₄……X_i,并对各测量值进行校准，校准后的测量值为：

其中,i∈[1,n],n为传感器的个数，A_i为校准矩阵，X_i＝[x_i y_i z_i]^T为三维列向量，W_i为高斯白噪声；A_i∈R^3×4，包含对传感器量程和偏移的校准；

S4、采用自适应加权平均算法对步骤S3所校准后的测量值进行融合计算，得出基于MEMS传感器阵列的各坐标方向的惯性量融合值；

所述步骤S4的具体融合过程为：

a)、多个相同传感器噪声特性相同，所产生的高斯白噪声累计求和后噪声相互抵消，即

b)、多个传感器同时刻所测得数据的融合值为：

其中，i∈[1,n],a_i为权重，T_i为第i个传感器校准后的测量值；T为多个传感器同时刻所测得数据的融合值；

c)、各传感器k时刻的方差为：

Var(T_i)＝E[(T_i-u_k)²]，

其中，u_k＝T_k-1,u_k为期望值，T_k-1为k-1时刻的融合值；

d)、各传感器同一时刻的权重分别为a₁、a₂、a₃……a_i，权重与传感器的方差满足：

Var(T_i)为各传感器k时刻的方差。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，其特征在于，所述步骤S2中三轴MEMS惯性传感器为多个相同的三轴陀螺仪或多个相同的三轴加速度计。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的三轴MEMS惯性传感器设置在三个两两正交的传感器电路板上，每个传感器电路板上设有多个相同的三轴MEMS惯性传感器。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量方法，其特征在于，所述步骤S2～S5中三轴MEMS惯性传感器输出的数字信号传输给微处理器。

5.一种使用如权利要求1～4任一项所述方法的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，其特征在于，包括惯性测量模块和微处理器，所述惯性测量模块包括三个两两正交的第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板，三个传感器电路板上分别阵列排布有相同型号的三轴MEMS惯性传感器，各传感器分别与微处理器连接，所述微处理器与无人机飞行控制器连接。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，其特征在于，所述三轴MEMS惯性传感器为三轴陀螺仪或三轴加速度计。

7.根据权利要求5所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，其特征在于，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板均为印刷电路板，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板的一端分别竖直插接于水平设置的第三传感器电路板上。

8.根据权利要求5所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，其特征在于，还包括电路板支撑架，所述电路板支撑架为立方体框架，三个传感器电路板分别安装在立方体框架上的三个两两正交的平面上。

9.根据权利要求5所述的基于MEMS传感器阵列的高精度惯性量测量系统，其特征在于，所述第一传感器电路板、第二传感器电路板和第三传感器电路板均容置于外壳内。