CN107515014A - 一种惯性器件的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性器件校准技术领域，提供了一种惯性器件的校准装置及校准方法。其中校准装置包括相互之间中心垂直的三个柱体，三个柱体的六个顶面构成校准时候固定用的主端面；三个柱体在中心垂直位置各自被分成两节，并且各节柱体之间设置有连接块，连接块的表面为扇形或者多边形，且厚度参考柱体的经长或者边长设计；其中，相邻的三节柱体之间的连接块组成一镂空椎体空间，椎体中相交于椎顶的三个斜面用于放置待测的惯性器件。本发明在无转台的情况下，可以对陀螺仪不同姿态下的零偏进行校准，可以实现加速度计的零偏、标度因数和比例因子等完整的误差校准，并且能够在椎体的三个斜面上各安装多个传感器进行校准，提高了校准效率。

Description

一种惯性器件的校准装置及校准方法

【技术领域】

本发明涉及惯性器件校准技术领域，特别是涉及一种惯性器件的校准装置及校准方法。

【背景技术】

微机电系统(Micro-Electro-Mechanic System，MEMS)传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低、易于大规模生产等优点。近年来随着MEMS技术的普及以及器件价格的下降，MEMS器件拥有广阔的工程应用前景。MEMS陀螺仪和加速度作为典型的MEMS惯性传感器，已经广泛应用于无人机、机器人的智能控制以及消费电子产品领域。然而MEMS陀螺仪和加速度也包含许多固有误差，其零点输出随着时间的变化会产生一定的漂移，即零点偏移，同时多轴传感器还存在标度因数误差和轴间误差，因此需要定期对MEMS和陀螺仪进行校准。高精度多轴转台是常用的陀螺仪和加速度计校准设备，能够提供准确的角速度和角位置。但是高精度校准设备价格昂贵，普通用户无法承受，日常使用中多采用多面体结构对陀螺仪和加速度计进行校准。而单轴转台，其所能检测的内容存在极大的局限性，因此，如何在设备成本更低廉的单轴转台上实现多轴转台的测试功能显得非常有实用价值。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中单轴环境下校准装置可提供的检测数据维度有限，并且不能满足同时进行多个惯性器件校准的要求。

第一方面，本发明提供了一种惯性器件的校准装置，校准装置包括相互之间中心垂直的三个柱体，三个柱体的六个顶面构成校准时候固定用的主端面；

三个柱体在中心垂直位置各自被分成两节，并且各节柱体之间设置有连接块，所述连接块的表面为扇形或者多边形，且厚度参考柱体的经长或者边长设计；其中，相邻的三节柱体之间的连接块组成一镂空椎体空间，所述椎体中相交于椎顶的三个斜面用于放置待测的惯性器件。

优选的，所述六个主端面上各自设置有至少两个固定用凹槽，所述固定用凹槽用于嵌入单轴转台上拥有相同数量的固定脚，完成所述校准装置的固定。

优选的，所述至少两个固定用凹槽中包括两供电电极，所述供电电极通过导线与设置在三个斜面的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在三个斜面上各位置的惯性器件供电。

优选的，所述校准装置内部设置有蓄电池，所述蓄电池通过导线与设置在三个斜面位置的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在三个斜面上各位置的惯性器件供电。

优选的，在所述校准装置中，由所述柱体和连接块构成的校准装置框架是通过灌注模具一体成型；或者，通过球型胚体打磨制作成型；或者，以所述柱体和连接块各自为零部件方式组装成型。

优选的，所述连接块耦合于相邻主端面的表面部分，参考主端面结构设置相连的两个辅端面；其中，所有连接块的辅端面和三个柱体的主端面构成一具有30个可固定端面的校准装置。

第二方面，本发明还提供了一种惯性器件的校准方法，使用如第一方面所述的惯性器件的校准装置，所述方法还包括：

将待测的一个或者多个惯性器件固定在所述校准装置的各椎体中的斜面部位；

按照预设的计算方法，选择至少12个端面分别固定在单轴转台上，并完成相应数据采集；

将采集到的数据分别带入各惯性器件的计算等式中，计算得到对应各惯性器件的包括零偏、标度因数、轴间误差和比例因子中一个或者多个参数的校准结果。

优选的，所述将采集到的数据分别带入各惯性器件的计算等式中，具体为：

将采集得到的数据代理等式：y_k＝S_kT_kM_ku_k+b_k计算得到标度因数误差和轴间误差；

其中k表示不同类型的传感器，u_k表示理想坐标系下的被测物理量，y_k表示传感器原始输出值向量，b_k表示传感器偏置向量，S_k表示传感器标度因数矩阵，T_k和M_k分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵。

本发明设计了一种可用于陀螺仪和加速度计的校准装置及方法。在无转台的情况下，本发明设计的校准装置可以对陀螺仪不同姿态下的零偏误差进行校准，可以实现加速度计的零偏、标度因数和比例因子等完整的误差校准。另一方面，本发明装置可以实现使用单轴转台对陀螺仪进行零偏、标度因素和比例因子等误差进行校准，并且能够在椎体的三个斜面上各安装多个传感器进行校准，提高了校准效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置中的柱体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置中的柱体配合部分连接块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置中的一个椎体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置的外形结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置的外形结构俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种惯性器件检测装置的凹槽结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种惯性器件检测装置的凹槽结构示意图；

图8是本发明实施例提供的带固定脚的单轴转盘结构示意图；

图9是本发明实施例固定了检测装置和单轴转盘后的示意图；

图10是本发明实施例提供的带固定脚和磁吸附结构的单轴转盘结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种固定惯性器件的基座与固定脚之间的电连接示意图；

图12是本发明实施例提供的一种惯性器件的校准方法流程示意图；

图13是本发明实施例提供的一种传感器误差模型示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

MEMS陀螺仪和加速度计在出厂前会进行校准测试，但陀螺仪和加速度计的零点输出会随着时间产生一定漂移，即零偏不准的现象，这是MEMS器件的固有特性。

通常三轴MEMS传感器的误差模型可以写成如下形式：

y_k＝S_kT_kM_ku_k+b_k

其中k表示不同类型的传感器，u_k表示理想坐标系下的被测物理量，y_k表示传感器原始输出值向量，b_k表示传感器偏置向量，S_k表示传感器标度因数矩阵，T_k和M_k分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵。可以看出，多轴传感器完整的误差校准包含12个校准参数，一般采用多个角速度输入对应多个陀螺仪输出、多个加速度输入对应多个加速度计输出的最小二乘拟合方法对传感器的误差进行校准。

个人如何对MEMS陀螺仪和加速度计进行现场校准是关键问题。目前最方便的方法是使用高精度多轴转台校准陀螺仪和加速度计，转台的主要功能是提供精确的角速度和角位置。高精度转台以不同的角速度输入来校准陀螺仪，以不同的角位置输入来校准加速度计(通常有6位置法、12位置法等)，不同角位置对应不同的重力加速度输入。但高精度多轴转台的价格昂贵，维护成本高，并不适用于个人。

实施例1:

发明人在解决问题过程中也采用过六面体对陀螺仪和加速度计进行校准，通过将六面体进行上、下、前、后、左、右六个方向上放置，得到不同方向上陀螺仪和加速度计的输出，从而实现陀螺仪和加速度计的零偏校准。六面体校准方法可同时安装传感器个数的空间有限，校准效率不高。另一方面，六面体结构仅能对加速度计输入0，±g等加速度值，只能得到六组校准方程，而完整的误差方程包含12个未知量，无法充分校准加速度计轴间的交叉耦合误差。

因此，本发明实施例1提供了一种惯性器件的校准装置，如图1-图4所示，校准装置包括相互之间中心垂直的三个柱体，三个柱体的六个顶面构成校准时候固定用的主端面；其中，三个柱体具体为图1中所示的，z轴向上的柱体I，x轴向上的柱体II，以及y轴向的柱体III，所述图1为透视了校准装置中其它结构后，仅仅呈现柱体结构的示意图。

三个柱体在中心垂直位置各自被分成两节(例如：图1中柱体I被分为I-1节和I-2节，参考坐标系以柱体的交点为原点，并以坐标系正方向一侧标注为第1节，负方向一侧的标注为第2节，该规定还适用于柱体II和柱体III)，并且各节柱体之间设置有连接块，所述连接块的表面为扇形或者多边形，且厚度参考柱体的经长或者边长设计；其中，相邻的三节柱体之间的连接块组成一镂空椎体空间，所述椎体的三个斜面用于放置待测的惯性器件。

在本发明实施例中，在一个校准装置中包含了8个椎体，总共24个可放置待测惯性器件的斜面。优选的，所述校准装置的重量为2-10Kg，从而能够在被设置重量为g级别的待测惯性器件后，维持校准装置的重心不至于过多偏斜而影响其在单轴平台上的测试运动。

本发明实施例设计了可用于陀螺仪和加速度计的校准装置，在无转台的情况下，可以对陀螺仪不同姿态下的零偏进行校准，可以实现加速度计的零偏、标度因数和比例因子等完整的误差校准。另一方面，本发明实施例的装置可以实现使用单轴转台对陀螺仪进行标度因素和比例因子等误差进行校准，并且能够在椎体的三个斜面上各安装多个传感器进行校准，提高了校准效率。

本发明实施例可以采用六个端面对陀螺仪和加速度计进行校准，通过将六面体进行上、下、前、后、左、右六个方向上放置，得到不同方向上陀螺仪和加速度计的输出，从而实现陀螺仪和加速度计的校准。

如图2所示，为了阐述连接块的方便，仅以包含一块连接块的结构示意图进行描述。其中，连接块I_II_1是设置在图2所示的I-1节和II-1节之间的。其中，连接块的厚度参考柱体的经长或者边长来设计，可以略厚于经长或者边长(对于柱体为圆柱体结构时，即为直径；而对于柱体为底面为正方形的长方体时，即为正方形的边长)，也可以略薄于经长，但是，前提是要保证整个校准装置的重心偏差满足预设条件(例如：要求校准装置的重心位于各柱体相交的中心位置，并且偏差小于1mm)。

如图3所示，为仅呈现了校准装置中柱体结构和一椎体空间的结构示意图，其中，各连接块的大小和形状是采用相同的结构设计，从而保证了在翻转到不同主端面的时候，整个校准装置的重心不至于改变。所述椎体空间的椎顶为三面均为90°直角边构成的。

如图4所示，为一个包含了完整柱体结构和完整连接块结构的校准装置示意图，其中，所述连接块耦合于相邻主端面的表面部分，参考主端面结构设置相连的两个辅端面；其中，所有连接块的辅端面和三个柱体的主端面构成一具有30个可固定端面的校准装置。其中，各端面的夹角为135°。

假设A面为校准装置的顶面，本发明校准装置的俯视图如图5所示。传感器可以安装在图4所示的D区域内，D区域(即本实施例所述的椎体空间)为互相垂直的三个直角平面构成，D区域包含的每个平面都可以用来安装传感器。本发明装置共包含8个D区域，可同时安装多个传感器进行校准。

本发明实施例所提出的校准装置的端面在测试时，可以采用贴胶的方式，但是，本发明实施例还提供了一种更优的实现方案，如图6和图7所示，所述六个主端面上各自设置有至少两个固定用凹槽11，所述固定用凹槽11用于嵌入单轴转台上拥有相同数量的固定脚21，完成所述校准装置的固定。对于上述拥有30个可固定端面的校准装置来说，其每一个可固定端面均设置有所述固定用凹槽11，如图6所示。其中，主端面和辅端面各自的两边到达校准装置中心构成的夹角均为30°，使得两相交的柱体，以及用于衔接两相交的柱体的连接块所构成单元的截面为正12边形(如图7所示，此时，截面AA’A”为正12边形，其中，A、A’和A”所引出的位置为各端面的中心点)；或者，两个辅端面各自与椎顶的夹角均为45°(如图7所示，此时图中β为45°)，使得两相交的柱体间的连接块为一对称结构。

如图8所示，为一典型的单轴转台的表面结构，其对应图7所示的凹槽个数为三个所设计固定脚21。如图9所示，为通过将校准装置的固定用凹槽11嵌入到转台表面固定脚21完成测试前的校准装置与转台固定的效果示意图。

如图10所示，为本发明实施例提供的另一种优选的扩展实现方案，其中，单轴转盘设置有固定脚21的盘面区域还可以设置永磁铁或者电磁铁22，并且配合校准装置的各用于固定的表面采用可磁吸附材料制作，从而进一步提高固定的稳定性。

由于校准装置的设置还需要考虑到给待测的惯性器件供电的要求，因此，就校准装置如何给待测的惯性器件供电，本发明实施例还提供了2中可选的实现方案。

方案一：

所述至少两个固定用凹槽中包括两供电电极，所述供电电极通过导线与设置在椎体三个斜面的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在各椎体三个斜面的惯性器件供电。如图11所示，可以分别使用两个固定脚21作为数据传输接口和电源传输接口，而相应固定脚21的接口方式可以仿效耳机接口制作成上下两节串接构成(两节中间设置有绝缘片)，每一节用于耦合校准装置中固定用凹槽内对应深度的弹片，从而完成上述数据传输接口或者电源传输接口的耦合。其中，尤其是在校准装置同时支撑多个惯性器件的校准时，除了可以利用上述设置多凹槽和对应的固定脚外(例如：给每一个惯性器件的传感数据传输配备一个固定脚-凹槽结构，而它们的电源端口可以公用一个固定脚-凹槽结构)，还可以在所述校准装置中设置一个中心控制器，并将各固定惯性器件的基座的数据输出端口连接到所述中心控制器，这样便能够仍然给予两个固定脚-凹槽结构完成相应多个惯性器件的同时检测(如图11中给予了一组惯性器件贴片底座12的效果示意图，其中椎体的三个表面的底座效果图均如图11中底座12所示)。

方案二：

所述校准装置内部设置有蓄电池，所述蓄电池通过导线与设置在椎体三个斜面的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在各椎体三个斜面的惯性器件供电。

在本发明实施例中，所述柱体和连接块构成的校准装置框架是通过灌注模具一体成型；或者，通过球型胚体打磨制作成型；或者，以所述柱体和连接块各自为零部件方式组装成型。

实施例2:

本发明实施例还提供了一种惯性器件的校准方法，所述校准方法使用如实施例1所述的惯性器件的校准装置，如图12所示，所述方法还包括：

在步骤201中，将待测的一个或者多个惯性器件固定在所述校准装置的椎体中的椎顶部位。

在步骤202中，按照预设的计算方法，选择至少12个端面分别固定在单轴转台上，并完成相应数据采集。

在步骤203中，将采集到的数据分别带入各惯性器件的计算等式中，计算得到对应各惯性器件的包括零偏、标度因数、轴间误差和比例因子中一个或者多个参数的校准结果。

本发明实施例设计了可用于陀螺仪和加速度计的校准方法。在无转台的情况下，本发明设计的校准装置可以对陀螺仪不同姿态下的零偏进行校准，可以实现加速度计的零偏、标度因数和比例因子等完整的误差校准。另一方面，本发明实施例的校准方法可以实现使用单轴转台对陀螺仪进行标度因素和比例因子等误差进行校准，并且可尽可能多地安装传感器进行校准，提高了校准效率。

对于多轴传感器，传感器的各敏感轴理论上应该保持垂直正交。进一步地，对于多传感系统，应该保持各传感器之间相互垂直安装，且各传感器的敏感轴应该对齐到统一的参考坐标系，然而传感器由于生产工艺和芯片贴装过程误差导致的包括轴间非正交和不对齐在内的各种交叉耦合误差难以避免。如图13所示，使用一种经典的传感器误差模型来描述传感器的误差传播特性。

图13中下标k表示不同类型的传感器。u_k表示理想坐标系下的被测物理量，y_k表示传感器原始输出值向量。b_k表示传感器偏置向量：

S_k表示传感器标度因数矩阵(其中，标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值)：

T_k和M_k分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵，是主要的交叉耦合误差项。综上，传感器的原始输出值与被测物理量的关系可以表示为：

y_k＝S_kT_kM_ku_k+b_k (1-3)

通常得到多个测试点的传感器输出值之后，采用最小二乘法通过对1-3式进行处理，我们通过两步参数估计方法来简化传感器确定性误差参数的最优化处理过程。首先，定义一个复合误差矩阵H_k，满足：

H_k＝S_kT_kM_k (1-4)

来代替单独估计标度因数矩阵S_k、正交化矩阵T_k和对齐矩阵M_k。通过这种简化，传感器确定性误差模型式(1-3)中没有被考虑到的线性时变误差也将得到校准。本发明实施例分别从加速度计校准和陀螺仪校准分别展开阐述。

1、加速度计校准

当传感器处于静止状态时，在不考虑科里奥利加速度的情况下仅仅只有重力加速度作用到加速度计上，保持传感器处于W个不同的位置，加速度计在W个位置下的输出定义为其中(i＝1,2,...W)表示第i个位置下的加速度计输出。假设加速度计在W个位置下的姿态角分别为φ_i和θ_i(i＝1,2,...,W)，根据静止状态下加速度计输入值和重力加速度的关系：

其中(i＝1,2,...W)表示第i个位置下的作用在加速度计上的重力加速度输入，即被测加速度。展开式(1-5)可以得到不同位置处精确的输入加速度的值

将总的输入加速度定义为加速度计不同位置下总的偏置向量定义为B_a|3×w＝R(b_a)(R()函数表示B_a的每一列元素设置为加速度计的偏置b_a)。加速度计的偏置向量以及复合误差矩阵可以按式(1-7)进行迭代估计直到收敛。

式中表示(y_a-H_aU_a)的第i列元素。

2、陀螺仪校准

与加速度计校准过程不同的是，陀螺仪的偏置向量不需要迭代计算即可进行精确估计。陀螺仪的校准主要分为以下两个步骤：

分别保持传感器在M个不同位置处静止，此时陀螺仪的M个输入角速度为输出角速度(i＝1,2,...,M)可以被看作是其偏置。考虑到陀螺仪的输出噪声，定义输出值的平均值为陀螺仪偏置：

此时M个位置下的陀螺仪总偏置B_g|3×1＝R(b_g)(R()函数表示B_g的每一列元素设置为加速度计的偏置b_g)。

将传感器固定，分别绕参考系坐标轴以不同角速度旋转N次，此时输入角速度为(j＝1,2,...,N)，陀螺仪输出角速度为(j＝1,2,...,N)。总的输入角速度为总的输出角速度为可以得到陀螺仪的复合误差矩阵H_g

其中表示陀螺仪输出值矩阵U_g的右逆矩阵。

普通的六面体校准加速度计和陀螺仪时，通常只在传感器的某一个轴上产生输入，而另外两个轴的输入为0，这种情况下交叉耦合误差表现不明显。例如当传感器水平静止放置在六面体上且Z轴朝上时，加速度计的输入为[0 0 g]，仅有Z轴方向上有加速度计输入，X和Y轴的无输入，其对Z轴输出的影响无法体现。同样地，这种情况下陀螺仪校准时输入为[0 0 ω](ω表示转台角速度大小)，仅对Z轴有角速度输入，X和Y轴无角速度输入，其对Z轴输出的影响无法体现。因此，六面体结构无法完整校准交叉耦合误差。本发明装置在校准加速度计的时候可以实现三个轴向上的加速度输入，使用单轴转台也能实现三个轴向上的角速度输入，使三个轴上的输入输出耦合影响充分体现出来，进而提高轴间交叉耦合校准精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种惯性器件的校准装置，其特征在于，校准装置包括相互之间中心垂直的三个柱体，三个柱体的六个顶面构成校准时候固定用的主端面；

三个柱体在中心垂直位置各自被分成两节，并且各节柱体之间设置有连接块，所述连接块的表面为扇形或者多边形，且厚度参考柱体的经长或者边长设计；其中，相邻的三节柱体之间的连接块组成一镂空椎体空间，所述椎体中相交于椎顶的三个斜面用于放置待测的惯性器件。

2.根据权利要求1所述的惯性器件的校准装置，其特征在于，所述六个主端面上各自设置有至少两个固定用凹槽，所述固定用凹槽用于嵌入单轴转台上拥有相同数量的固定脚，完成所述校准装置的固定。

3.根据权利要求2所述的惯性器件的校准装置，其特征在于，所述至少两个固定用凹槽中包括两供电电极，所述供电电极通过导线与设置在三个斜面的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在三个斜面上各位置的惯性器件供电。

4.根据权利要求1所述的惯性器件的校准装置，其特征在于，所述校准装置内部设置有蓄电池，所述蓄电池通过导线与设置在三个斜面位置的用于固定惯性器件的基座连接，用于给设置在三个斜面上各位置的惯性器件供电。

5.根据权利要求1所述的惯性器件的校准装置，其特征在于，在所述校准装置中，由所述柱体和连接块构成的校准装置框架是通过灌注模具一体成型；或者，通过球型胚体打磨制作成型；或者，以所述柱体和连接块各自为零部件方式组装成型。

6.根据权利要求1-5任一所述的惯性器件的校准装置，其特征在于，所述连接块耦合于相邻主端面的表面部分，参考主端面结构设置相连的两个辅端面；其中，所有连接块的辅端面和三个柱体的主端面构成一具有30个可固定端面的校准装置。

7.一种惯性器件的校准方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一所述的惯性器件的校准装置，所述方法还包括：

将待测的一个或者多个惯性器件固定在所述校准装置的各椎体中的斜面部位；

按照预设的计算方法，选择至少12个端面分别固定在单轴转台上，并完成相应数据采集；

将采集到的数据分别带入各惯性器件的计算等式中，计算得到对应各惯性器件的包括零偏、标度因数、轴间误差和比例因子中一个或者多个参数的校准结果。

8.根据权利要求7所述的惯性器件的校准方法，其特征在于，所述将采集到的数据分别带入各惯性器件的计算等式中，具体为：

将采集得到的数据代入等式：y_k＝S_kT_kM_ku_k+b_k计算得到标度因数误差和轴间误差；

其中k表示不同类型的传感器，u_k表示理想坐标系下的被测物理量，y_k表示传感器原始输出值向量，b_k表示传感器偏置向量，S_k表示传感器标度因数矩阵，T_k和M_k分别表示传感器的轴间正交矩阵和对齐矩阵。