CN108917787A - 一种mems陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，该方法包括如下步骤：根据MEMS陀螺仪在边缘台锁定和边缘台解除锁定两种情况下的MEMS陀螺仪输出，构建MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量和MEMS陀螺仪感知的加速度向量；使用高阶多项式表达MEMS陀螺仪标度因数g敏感性和MEMS陀螺仪感知的加速度之间的数学关系；通过矩阵运算的方法计算出高阶多项式的系数；利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿。本发明提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。

Description

一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法

技术领域

本发明属于MEMS陀螺仪技术领域，尤其涉及一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法。

背景技术

MEMS陀螺仪具有加速度敏感性(g敏感性)，主要表现在陀螺仪的零偏和标度因数随着加速度变化而变化，导致MEMS陀螺仪输出产生偏差。对MEMS陀螺仪零偏的g敏感性和标度因数的g敏感性进行标定和补偿有助于提高MEMS陀螺仪的测量精度。

目前常规的MEMS陀螺仪g敏感性标定和补偿方法(参考专利CN 105277215 A，IEEEStandard 528和IEEE Standard 517)是在陀螺仪输入为0的情况下进行测试，主要解决的是MEMS陀螺仪零偏g敏感性的标定和补偿问题，没有进行陀螺仪标度因数的g敏感性标定和补偿，从而导致补偿不完善。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，以补充当前MEMS陀螺仪g敏感性的标定和补偿方法中没有陀螺仪标度因数标定和补偿的问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：设置双轴离心机，使其边缘台转轴垂直于主离心机转轴，锁定边缘台；步骤二：将MEMS陀螺仪固定安装在边缘台上，MEMS陀螺仪敏感轴与边缘台转轴重合，并使MEMS陀螺仪敏感轴指向或背向主离心机的中心，使得主离心机依次输出向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同加速度下MEMS陀螺仪的输出，其中，a₀＝0m/s²；步骤三：解除边缘台锁定，以转速Ω运动，让主离心机输出与步骤二相同的向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同向心加速度下MEMS陀螺仪的输出；步骤四：根据MEMS陀螺仪在边缘台锁定和边缘台解除锁定两种情况下的MEMS陀螺仪输出，构建MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量和MEMS陀螺仪感知的加速度向量；步骤五：使用高阶多项式表达MEMS陀螺仪标度因数g敏感性和MEMS陀螺仪感知的加速度之间的数学关系；步骤六：通过矩阵运算的方法计算出高阶多项式的系数；步骤七：利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤二中，MEMS陀螺仪敏感轴指向或背向主离心机的中心，使得主离心机依次输出向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同加速度下MEMS陀螺仪的输出包括：当MEMS陀螺仪敏感轴指向主离心机的中心时，感知的加速度为：-a₀、-a₁、…、-a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪的输出记为：bias-₀，bias_-1，…，bias_-m；当MEMS陀螺仪敏感轴背向主离心机的中心时，感知的加速度为：a₀、a₁、…、a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪的输出记为：bias+₀，bias₊₁，…，bias_+m；取bias_-0和bias₊₀的算术平均值，记为bias₀，即bias₀＝(bias_-0+bias₊₀)/2。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤三中，让主离心机输出与步骤二相同的向心加速度序列：a₀，a₁…，a_m，记录不同向心加速度下MEMS陀螺仪的输出包括：当MEMS陀螺仪敏感轴指向主离心机的中心时，感知的加速度为：-a₀、-a₁、…、-a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪的输出记为：out-₀，out_-1，…，out_-m；当MEMS陀螺仪敏感轴背向主离心机的中心时，感知的加速度为：a₀、a₁、…、a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪的输出记为：out+₀，out₊₁，…，out_+m；取out_-0和out₊₀的算术平均值，记为out₀，即有out₀＝(out_-0+out₊₀)/2。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤四中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量SF_g的公式如下：

其中，I_(2m-1)×1是大小为(2m-1)行1列的单位向量，sf_g为MEMS陀螺仪感知的加速度-a_m、…、a₀、…、a_m对应的MEMS陀螺仪标度因数的值的向量形式。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤四中，MEMS陀螺仪感知的加速度向量G为：

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤五中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性SF_i和MEMS陀螺仪感知的加速度a_i的关系式用高阶多项式表达为：

其中，i＝m、…、0、…、m；n是多项式的阶数，r＝0、1、…、n，K_r为高阶多项式的系数。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤六中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量SF_g和MEMS陀螺仪感知的加速度向量G的关系式用矩阵表达为：

其中，K_r为高阶多项式的系数。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，在步骤七中，利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿的计算公式如下：

其中，Ω是MEMS陀螺仪输出的角速率值，单位：°/s；Out_g是MEMS陀螺仪的输出值，bias是MEMS陀螺仪的零偏，SF是MEMS陀螺仪未经补偿的标度因数。

上述MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法中，所述双轴离心机包括主离心机、边缘台、MEMS陀螺仪敏感轴和MEMS陀螺仪；其中，所述主离心机包括主离心机转轴、主离心机旋转平面和主离心机底座；其中，所述主离心机转轴与所述主离心机底座转动连接；所述主离心机旋转平面套设于所述主离心机转轴；所述边缘台包括MEMS陀螺仪敏感轴、MEMS陀螺仪、边缘台旋转平面、边缘台底座、边缘台转轴；其中，所述边缘台底座设置于所述主离心机旋转平面；所述边缘台转轴与所述边缘台底座转动连接；所述边缘台旋转平面与所述边缘台转轴的顶端相连接；所述MEMS陀螺仪与所述边缘台旋转平面相连接，所述MEMS陀螺仪敏感轴与所述边缘台转轴重合，所述MEMS陀螺仪敏感轴的轴向与所述主离心机转轴的轴向相垂直。

根据本发明的另一方面，还提供了一种双轴离心机，包括主离心机、边缘台、MEMS陀螺仪敏感轴和MEMS陀螺仪；其中，所述主离心机包括主离心机转轴、主离心机旋转平面和主离心机底座；其中，所述主离心机转轴与所述主离心机底座转动连接；所述主离心机旋转平面套设于所述主离心机转轴；所述边缘台包括MEMS陀螺仪敏感轴、MEMS陀螺仪、边缘台旋转平面、边缘台底座、边缘台转轴；其中，所述边缘台底座设置于所述主离心机旋转平面；所述边缘台转轴与所述边缘台底座转动连接；所述边缘台旋转平面与所述边缘台转轴的顶端相连接；所述MEMS陀螺仪与所述边缘台旋转平面相连接，所述MEMS陀螺仪敏感轴与所述边缘台转轴重合，所述MEMS陀螺仪敏感轴的轴向与所述主离心机转轴的轴向相垂直。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明利用双轴离心机输出的复合矢量，即不同大小的加速度矢量和不同大小的角速度矢量对MEMS陀螺仪的标度因数的g敏感性进行标定，并建立MEMS陀螺仪标度因数的g敏感性高阶多项式，可以在陀螺仪零偏g敏感性补偿基础上更进一步地补偿陀螺仪的g敏感性，提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的双轴离心机的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的双轴离心机的结构示意图。如图1所示，该双轴离心机包括：主离心机10、边缘台20、MEMS陀螺仪敏感轴4和MEMS陀螺仪5；其中，

主离心机10包括主离心机转轴1、主离心机旋转平面2和主离心机底座3；其中，主离心机转轴1与主离心机底座3转动连接；主离心机旋转平面2套设于主离心机转轴1；

边缘台20包括MEMS陀螺仪敏感轴4、MEMS陀螺仪5、边缘台旋转平面6、边缘台底座7、边缘台转轴8；其中，边缘台底座7设置于主离心机旋转平面2；边缘台转轴8与边缘台底座7转动连接；边缘台旋转平面6与边缘台转轴8的顶端相连接；

MEMS陀螺仪5与边缘台旋转平面6相连接，MEMS陀螺仪敏感轴4与边缘台转轴8重合，MEMS陀螺仪敏感轴4的轴向与主离心机转轴1的轴向相垂直。

MEMS陀螺仪敏感轴与边缘台转轴重合，都垂直于主离心机转轴。当MEMS陀螺仪感知到正加速度序列(0g；1g；2g；5g；10g；20g；30g)时，MEMS陀螺仪敏感轴指向离心机中心；当MEMS陀螺仪感知到负加速度序列(0g；-1g；-2g；-5g；-10g；-20g；-30g)时，MEMS陀螺仪敏感轴背向离心机中心。图示为指向离心机中心。

结合图1，MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法包括如下步骤：

步骤一：设置双轴离心机，使其边缘台转轴8垂直于主离心机转轴1，锁定边缘台20；

步骤二：将MEMS陀螺仪5固定安装在边缘台20上，MEMS陀螺仪敏感轴4与边缘台转轴8重合，并使MEMS陀螺仪敏感轴4指向或背向主离心机10的中心，使得主离心机10依次输出向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同加速度下MEMS陀螺仪的输出，其中，a₀＝0m/s²；

步骤三：解除边缘台20锁定，以转速Ω运动，让主离心机输出与步骤二相同的向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同向心加速度下MEMS陀螺仪的输出；

步骤四：根据MEMS陀螺仪5在边缘台锁定和边缘台解除锁定两种情况下的MEMS陀螺仪输出，构建MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量和MEMS陀螺仪感知的加速度向量；

步骤五：使用高阶多项式表达MEMS陀螺仪标度因数g敏感性和MEMS陀螺仪感知的加速度之间的数学关系；

步骤六：通过矩阵运算的方法计算出高阶多项式的系数；

步骤七：利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿。

具体实施时，设置双轴离心机，使其边缘台转轴垂直于主离心机转轴(如图1所示)，锁定边缘台，不驱动其旋转。

将MEMS陀螺仪固定安装在双轴离心机的边缘台上，敏感轴与边缘台转轴重合(如图1所示)，并使敏感轴指向或背向主离心机的中心。让离心机依次输出加速度序列：0g；1g；2g；5g；10g；20g；30g。其中，g是本地重力加速度值。当MEMS陀螺仪的敏感轴指向主离心机的中心时，感知的加速度为：0g；-1g；-2g；-5g；-10g；-20g；-30g；当MEMS陀螺仪的敏感轴背向主离心机的中心时，感知的加速度为：0g；1g；2g；5g；10g；20g；30g。记录以上离心加速度下对应的MEMS陀螺的输出，分别记为：bias_-0，bias_-1，bias_-2，bias_-5，bias_-10，bias_-20，bias_-30，bias₊₀，bias₊₁，bias₊₂，bias₊₅，bias₊₁₀，bias₊₂₀，bias₊₃₀。取bias_-0和bias₊₀的算术平均值，记为bias₀。即有：bias₀＝(bias_-0+bias₊₀)/2。

双轴离心机的边缘台解除锁定，以100rad/s转动。让主离心机输出与边缘台锁定时相同的加速度序列：0g；1g；2g；5g；10g；20g；30g。当MEMS陀螺仪的敏感轴指向主离心机的中心，感知的加速度为：0g；-1g；-2g；-5g；-10g；-20g；-30g。当MEMS陀螺仪的敏感轴背向主离心机的中心，感知的加速度为：0g；1g；2g；5g；10g；20g；30g。记录以上加速度下对应的MEMS陀螺的输出，分别记为：out_-0，out_-1，out_-2，out_-5，out_-10，out_-20，out_-30，out₊₀，out₊₁，out₊₂，out₊₅，out₊₁₀，out₊₂₀，out₊₃₀。取out_-0和out₊₀的算术平均值，记为out₀。即有：out₀＝(out_-0+out₊₀)/2。

根据MEMS陀螺仪在边缘台锁定和边缘台解除锁定两种情况下的陀螺仪输出，构建MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量和离心机的加速度向量。首先将各陀螺仪标度因数的值可写成向量形式如下：

令MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量为：

其中，I_13×1是大小为13行1列的单位向量。再将MEMS陀螺仪感知的加速度写成向量形式：

使用高阶多项式表达MEMS陀螺仪标度因数g敏感性和MEMS陀螺仪感知的加速度之间的数学关系。设MEMS陀螺仪标度因数g敏感性SF_g和离心机加速度G的关系式用高阶多项式表达为：

其中，n是多项式的阶数。

则MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量SF_g和离心机加速度向量G的关系式用矩阵表达为：

通过矩阵运算的方法计算出多项式的系数K_i，i＝0，1，2，…，n。

利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪g敏感性补偿，计算公式如下：

其中，Ω是MEMS陀螺仪输出的角速率值，单位：°/s；Out_g是MEMS陀螺仪的输出值，bias是MEMS陀螺仪的零偏，SF是MEMS陀螺仪未经补偿的标度因数。

本实施例利用双轴离心机输出的复合矢量，即不同大小的加速度矢量和不同大小的角速度矢量对MEMS陀螺仪的标度因数的g敏感性进行标定，并建立MEMS陀螺仪标度因数的g敏感性高阶多项式，可以在陀螺仪零偏g敏感性补偿基础上更进一步地补偿陀螺仪的g敏感性，提高了MEMS陀螺g敏感性补偿的精度。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：设置双轴离心机，使其边缘台转轴(8)垂直于主离心机转轴(1)，锁定边缘台(20)；

步骤二：将MEMS陀螺仪(5)固定安装在边缘台(20)上，MEMS陀螺仪敏感轴(4)与边缘台转轴(8)重合，并使MEMS陀螺仪敏感轴(4)指向或背向主离心机(10)的中心，使得主离心机(10)依次输出向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同加速度下MEMS陀螺仪的输出，其中，a₀＝0m/s²；

步骤三：解除边缘台(20)锁定，以转速Ω运动，让主离心机输出与步骤二相同的向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同向心加速度下MEMS陀螺仪的输出；

步骤四：根据MEMS陀螺仪(5)在边缘台锁定和边缘台解除锁定两种情况下的MEMS陀螺仪输出，构建MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量和MEMS陀螺仪感知的加速度向量；

步骤五：使用高阶多项式表达MEMS陀螺仪标度因数g敏感性和MEMS陀螺仪感知的加速度之间的数学关系；

步骤六：通过矩阵运算的方法计算出高阶多项式的系数；

步骤七：利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿。

2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤二中，MEMS陀螺仪敏感轴(4)指向或背向主离心机(10)的中心，使得主离心机(10)依次输出向心加速度序列：a₀、a₁、…、a_m，记录不同加速度下MEMS陀螺仪的输出包括：

当MEMS陀螺仪敏感轴(4)指向主离心机的中心时，感知的加速度为：-a₀、-a₁、…、-a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪(5)的输出记为：bias-₀，bias_-1，…，bias_-m；

当MEMS陀螺仪敏感轴(4)背向主离心机的中心时，感知的加速度为：a₀、a₁、…、a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪(5)的输出记为：bias+₀，bias₊₁，…，bias_+m；

取bias_-0和bias₊₀的算术平均值，记为bias₀，即bias₀＝(bias_-0+bias₊₀)/2。

3.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤三中，让主离心机输出与步骤二相同的向心加速度序列：a₀，a₁…，a_m，记录不同向心加速度下MEMS陀螺仪的输出包括：

当MEMS陀螺仪敏感轴(4)指向主离心机的中心时，感知的加速度为：-a₀、-a₁、…、-a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪(5)的输出记为：out-₀，out_-1，…，out_-m；

当MEMS陀螺仪敏感轴(4)背向主离心机的中心时，感知的加速度为：a₀、a₁、…、a_m，将以上加速度下对应的MEMS陀螺仪(5)的输出记为：out+₀，out₊₁，…，out_+m；

取out_-0和out₊₀的算术平均值，记为out₀，即有out₀＝(out_-0+out₊₀)/2。

4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤四中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量SF_g的公式如下：

其中，I_(2m-1)×1是大小为(2m-1)行1列的单位向量，sf_g为MEMS陀螺仪感知的加速度-a_m、…、a₀、…、a_m对应的MEMS陀螺仪标度因数的值的向量形式。

5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤四中，MEMS陀螺仪感知的加速度向量G为：

6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤五中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性SF_i和MEMS陀螺仪感知的加速度a_i的关系式用高阶多项式表达为：

其中，i＝-m、…、0、…、m；n是多项式的阶数，r＝0、1、…、n，K_r为高阶多项式的系数。

7.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤六中，MEMS陀螺仪标度因数g敏感性向量SF_g和MEMS陀螺仪感知的加速度向量G的关系式用矩阵表达为：

其中，K_r为高阶多项式的系数。

8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：在步骤七中，利用拟合后的多项式进行MEMS陀螺仪标度因数g敏感性补偿的计算公式如下：

其中，Ω是MEMS陀螺仪输出的角速率值，单位：°/s；Out_g是MEMS陀螺仪的输出值，bias是MEMS陀螺仪的零偏，SF是MEMS陀螺仪未经补偿的标度因数。

9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪标度因数的加速度敏感性补偿方法，其特征在于：所述双轴离心机包括主离心机(10)、边缘台(20)、MEMS陀螺仪敏感轴(4)和MEMS陀螺仪(5)；其中，

所述主离心机(10)包括主离心机转轴(1)、主离心机旋转平面(2)和主离心机底座(3)；其中，所述主离心机转轴(1)与所述主离心机底座(3)转动连接；所述主离心机旋转平面(2)套设于所述主离心机转轴(1)；

所述边缘台(20)包括MEMS陀螺仪敏感轴(4)、MEMS陀螺仪(5)、边缘台旋转平面(6)、边缘台底座(7)、边缘台转轴(8)；其中，所述边缘台底座(7)设置于所述主离心机旋转平面(2)；所述边缘台转轴(8)与所述边缘台底座(7)转动连接；所述边缘台旋转平面(6)与所述边缘台转轴(8)的顶端相连接；

所述MEMS陀螺仪(5)与所述边缘台旋转平面(6)相连接，所述MEMS陀螺仪敏感轴(4)与所述边缘台转轴(8)重合，所述MEMS陀螺仪敏感轴(4)的轴向与所述主离心机转轴(1)的轴向相垂直。

10.一种双轴离心机，其特征在于包括：主离心机(10)、边缘台(20)、MEMS陀螺仪敏感轴(4)和MEMS陀螺仪(5)；其中，

所述主离心机(10)包括主离心机转轴(1)、主离心机旋转平面(2)和主离心机底座(3)；其中，所述主离心机转轴(1)与所述主离心机底座(3)转动连接；所述主离心机旋转平面(2)套设于所述主离心机转轴(1)；

所述边缘台(20)包括MEMS陀螺仪敏感轴(4)、MEMS陀螺仪(5)、边缘台旋转平面(6)、边缘台底座(7)、边缘台转轴(8)；其中，所述边缘台底座(7)设置于所述主离心机旋转平面(2)；所述边缘台转轴(8)与所述边缘台底座(7)转动连接；所述边缘台旋转平面(6)与所述边缘台转轴(8)的顶端相连接；

所述MEMS陀螺仪(5)与所述边缘台旋转平面(6)相连接，所述MEMS陀螺仪敏感轴(4)与所述边缘台转轴(8)重合，所述MEMS陀螺仪敏感轴(4)的轴向与所述主离心机转轴(1)的轴向相垂直。