CN107270902A - 一种带有交叉轴耦合误差补偿的mems惯性测量单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，包括三个轴向MEMS模拟输出陀螺仪及其信号采集电路，实现对陀螺仪信号的采集；三个轴向MEMS数字输出加速度计及其信号采集电路，实现对加速度计输出信号的采集；陀螺数据转换模块，实现陀螺数据的模数转换；交叉轴耦合误差补偿模块实现对模拟输出陀螺仪和数字输出加速度计的数据处理；串口通信电路实现与上位机的通信；以及电源配置电路为整个测量单元各类提供各类供电电源。本发明不但可以实现对载体六轴位置信息的采集，而且还可以消除由加工、安装带来的交叉轴耦合误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，属于MEMS惯性导航技术领域。
背景技术
随着技术的发展，MEMS惯性测量单元的精度不断提高，又因其具有体积小、功耗低、成本低等特点，在越来越多的领域得到了广泛应用。MEMS惯性测量单元的研制对国民经济和国防建设都具有极高的价值。
第一个MEMS惯性测量单元由美国的Draper实验室于1994年推出。随着工艺的不断进步，MEMS惯性测量单元的集成度越来越高，体积逐渐减小，精度也越来越高，目前已经商品化的产品，主要包括美国霍尼韦尔公司的HG-1910升级版HG-1930，俄罗斯i-sense公司的AIST-330-G，日本Silicon sensing公司的DMU02以及美国亚德诺公司的ADIS163XX系列MEMS惯性测量单元。
受到加工工艺和安装的影响，MEMS惯性测量单元会存在交叉轴耦合误差，严重影响系统的输出精度，因此建立交叉轴耦合模型对误差进行补偿也是MEMS惯性测量单元研制技术的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，对交叉轴耦合误差进行补偿，提高了系统的输出精度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，包括x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪，x、y、z轴向的三个MEMS加速度计，陀螺仪数据采集电路，陀螺数据转换模块，加速度计数据采集电路，交叉轴耦合误差补偿模块；所述x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪用于采集x、y、z三个轴向的角速度信息，x、y、z轴向的三个MEMS加速度计用于采集x、y、z三个轴向的加速度信息；陀螺仪数据采集电路用于同步实时采集x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪的模拟输出信号，陀螺数据转换模块用于将模拟输出信号转换为数字输出信号并传输至交叉轴耦合误差补偿模块；加速度计数据采集电路用于同步实时采集x、y、z轴向的三个MEMS加速度计的数字输出信号并传输至交叉轴耦合误差补偿模块；交叉轴耦合误差补偿模块用于分别构建陀螺仪和加速度计的交叉轴耦合误差补偿模型，实现误差补偿。
作为本发明的一种进一步方案，该MEMS惯性测量单元还包括串口通信电路，上位机，电源配置电路；所述串口通信电路将交叉轴耦合误差补偿模块的输出传输给上位机，电源配置电路给整个MEMS惯性测量单元供电。
作为本发明的一种优选方案，所述交叉轴耦合误差补偿模块使用的模型如下：
其中，ω为陀螺仪输出矩阵，a为加速度计输出矩阵，E为陀螺仪交叉轴耦合误差及标度因数矩阵，Ω为理论角速度输入矩阵，B为陀螺仪零偏矩阵，C为陀螺仪加速度敏感性矩阵，A为理论加速度输入矩阵，F为加速度计交叉轴耦合误差及标度因数矩阵，D为加速度计零偏矩阵，T为加速度计角速度敏感矩阵。
作为本发明的一种优选方案，所述加速度计数据采集电路的通信接口为SPI通信接口。
作为本发明的一种优选方案，所述串口通信电路由RS485通信电路组成。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明带有交叉轴耦合误差补偿，消除了轴系非正交误差、安装误差、陀螺仪g敏感性误差和加速度计角速度敏感性误差，提高了MEMS惯性测量单元输出精度。
2、本发明采用MEMS惯性器件，整个MEMS惯性测量单元体积小、功耗低、便于维护。
3、本发明采用分立式MEMS陀螺仪和加速度计，便于器件维护和更换。
4、本发明采用RS485串口通信，可与上位机直接进行通信，便于数据采集和性能评估。
附图说明
图1是本发明一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元的系统结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，如图1所示。包括测量3个轴向角速度信息的3个单轴MEMS陀螺仪及其信号采集电路、测量3个轴向加速度信息的3个单轴MEMS加速度计及其信号采集电路、陀螺数据转换模块、交叉轴耦合误差补偿模块、串口通信电路、上位机、电源配置电路。
3个轴向单轴陀螺仪均为模拟输出MEMS陀螺仪，其信号采集电路(即陀螺仪数据采集电路)由高精度24位模数转换器及其配置电路组成，实现对3个轴向陀螺仪模拟输出信号的同步实时采集，采样速率设置为1KHz。
3个轴向单轴加速度计为数字输出MEMS加速度计，其信号采集电路(即加速度计数据采集电路)设计为SPI接口通信电路，实现对加速度计的寄存器配置和读取，采样速率与模数转换器的速率相同也为1KHz。
陀螺数据转换模块能够实现模数转换器功能，包括相关寄存器配置和转换结果读取两部分，实现对3轴角速度信息的实时采集。
加速度计数据采集电路包括对数字加速度计相关寄存器的配置和加速度输出结果读取两部分，实现对3轴加速度信息的实时采集。
交叉轴耦合误差补偿模块是通过分别构建陀螺仪和加速度计的交叉轴耦合误差补偿模型，实现对轴系非正交误差，安装误差，MEMS陀螺仪g敏感性误差和MEMS加速度计角速度敏感性误差的补偿，提高整个MEMS惯性测量单元的输出精度。
陀螺仪和加速度计交叉轴耦合误差模型如下：
其中，E为陀螺仪交叉轴耦合误差及标度因数矩阵；B为陀螺零偏矩阵；C为陀螺仪g敏感性矩阵；F为交叉轴耦合误差及标度因数矩阵；D为加速度计零偏矩阵；T为加速度计角速度敏感矩阵；A为理论加速度输入矩阵；Ω为理论角速度输入矩阵；ω为陀螺仪输出矩阵；a为加速度计输出矩阵。
串口通信电路由RS485通信电路组成，实现与上位机的通信，将MEMS惯性测量单元的数据输出到计算机，便于MEMS惯性测量单元的测试和性能评估。
串口通信电路是将3轴角速度数据和3轴加速度数据进行数据排序和整合，通过RS485通信协议进行输出。数据排序和整合的目的是将数据按照规定的数据格式进行排序整合，便于数据的辨识和处理。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，其特征在于，包括x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪，x、y、z轴向的三个MEMS加速度计，陀螺仪数据采集电路，陀螺数据转换模块，加速度计数据采集电路，交叉轴耦合误差补偿模块；所述x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪用于采集x、y、z三个轴向的角速度信息，x、y、z轴向的三个MEMS加速度计用于采集x、y、z三个轴向的加速度信息；陀螺仪数据采集电路用于同步实时采集x、y、z轴向的三个MEMS陀螺仪的模拟输出信号，陀螺数据转换模块用于将模拟输出信号转换为数字输出信号并传输至交叉轴耦合误差补偿模块；加速度计数据采集电路用于同步实时采集x、y、z轴向的三个MEMS加速度计的数字输出信号并传输至交叉轴耦合误差补偿模块；交叉轴耦合误差补偿模块用于分别构建陀螺仪和加速度计的交叉轴耦合误差补偿模型，实现误差补偿。
2.根据权利要求1所述带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，其特征在于，该MEMS惯性测量单元还包括串口通信电路，上位机，电源配置电路；所述串口通信电路将交叉轴耦合误差补偿模块的输出传输给上位机，电源配置电路给整个MEMS惯性测量单元供电。
3.根据权利要求1所述带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，其特征在于，所述交叉轴耦合误差补偿模块使用的模型如下：
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其中，ω为陀螺仪输出矩阵，a为加速度计输出矩阵，E为陀螺仪交叉轴耦合误差及标度因数矩阵，Ω为理论角速度输入矩阵，B为陀螺仪零偏矩阵，C为陀螺仪加速度敏感性矩阵，A为理论加速度输入矩阵，F为加速度计交叉轴耦合误差及标度因数矩阵，D为加速度计零偏矩阵，T为加速度计角速度敏感矩阵。
4.根据权利要求1所述带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，其特征在于，所述加速度计数据采集电路的通信接口为SPI通信接口。
5.根据权利要求2所述带有交叉轴耦合误差补偿的MEMS惯性测量单元，其特征在于，所述串口通信电路由RS485通信电路组成。
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