CN109186633B - 一种复合测量装置的现场标定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合测量装置的现场标定方法及系统，该方法包括：在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。本发明实现了复合测量装置的现场标定。

Description

一种复合测量装置的现场标定方法及系统
技术领域
本发明涉及惯导技术领域，尤其涉及一种复合测量装置的现场标定方法及系统。
背景技术
三轴MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺/单轴FOG陀螺(Fiber Optical Gyroscope，光纤陀螺)复合测量装置的实验室方法需要高精度测试设备并且标定流流程复杂。以文献《带斜置元件的光纤陀螺捷联惯组标定方法》为例，现有技术给出了一种具有斜置陀螺和加速度计的光纤陀螺捷联惯组标定方法，以高精度转台为基准，属于传统分立标定法，主要包括动态角速率标定和静态多位置测试。标定流程复杂并且依赖高精度测试基准，因此，不能直接应用于现场标定。
发明内容
本发明实施例提供一种复合测量装置的现场标定方法及系统，以解决复合测量装置的现场标定的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种复合测量装置的现场标定方法，其特征在于，包括：
在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。
可选的，所述基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值，包括：
建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure BDA0001783745190000021
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
可选的，所述预设角度大于360°。
第二方面，本发明实施例还提供了一种复合测量装置的现场标定系统，包括：
采集模块，用于在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
获取模块，用于所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
处理模块，用于基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。
可选的，所述处理模块具体用于，建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure BDA0001783745190000031
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
可选的，所述预设角度大于360°。
本发明实施例中，复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。这样，实现了复合测量装置的现场标定。
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他的附图。
图1是本发明实施例提供的复合测量装置的现场标定方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的复合测量装置的现场标定系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种复合测量装置的现场标定方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101，在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
步骤102，所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
步骤103，基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。
本发明实施例中，上述第一预设时长和第二预设时长的时间长度可以根据实际需要进行设置，例如，第一预设时长大于或等于20秒，上述第二预设时长可以为10秒；上述预设角度的大小可以根据实际需要进行设置，例如，在本实施例中，该预设角度可以大于360°。
一般设备已经过实验室的精确标定，现场标定测试主要针对长时间贮存后漂移项进行。本发明实施例提供的复合测量装置中，单轴FOG一般漂移较小可以忽略，三轴MEMS陀螺安装误差漂移可以忽略。现场标定测试主要对象为：三轴MEMS陀螺静态零位漂移，标度误差漂移。三轴MEMS陀螺静置并计算输出均值，可作为静态零位漂移估计值。以单轴FOG陀螺输出为基准，分别绕X轴、Y轴和Z轴转动三轴MEMS陀螺，使用卡尔曼滤波迭代估计三轴MEMS陀螺标度误差，从而实现复合测量装置的现场标定。
具体的，在本实施例中，假设复合测量装置已经经过实验室标定。在进行现场标定时，首先可以将复合测量装置上电预热，静止20秒以上；然后采集三轴MEMS陀螺静态输出并计算均值，作为三轴MEMS陀螺零位漂移估计值。
接着可以以手动的方式分别绕X轴、Y轴和Z轴转动复合测量装置360°以上，采集三轴MEMS陀螺输出并补偿上述零位漂移估计值。
最后，可以基于单轴FOG输出作为基准值，对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计。
具体的，上述步骤103包括：
建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure BDA0001783745190000051
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
使用标准卡尔曼滤波迭代的过程如下：
设第k+1步的量测值为Zk+1，则x(k+1)的卡尔曼滤波估计值
Figure BDA0001783745190000061
按下述方程求解：
Figure BDA0001783745190000062
Figure BDA0001783745190000063
Figure BDA0001783745190000064
Figure BDA0001783745190000065
Figure BDA0001783745190000066
上述经过滤波迭代后X估计值即为三轴MEMS陀螺标度误差估计值。
本发明实施例中，复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。这样，实现了复合测量装置的现场标定。
参见图2，图2是本发明实施例提供的复合测量装置的现场标定系统的结构图，如图2所示，复合测量装置的现场标定系统包括：
采集模块201，用于在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
获取模块202，用于所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
处理模块203，用于基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。
可选的，所述处理模块203具体用于，建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure BDA0001783745190000071
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
可选的，所述预设角度大于360°。
本发明实施例中，复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值。这样，实现了复合测量装置的现场标定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种复合测量装置的现场标定方法，其特征在于，包括：
在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值；
建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure FDA0002553585380000011
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
Sx、Sy、Sz分别为三轴MEMS陀螺静态输出，α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设角度大于360°。
3.一种复合测量装置的现场标定系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于在复合测量装置上电静置第一预设时长后，采集三轴MEMS陀螺静态输出，确定所述三轴MEMS陀螺的零位漂移估计值，所述零位漂移估计值为所述三轴MEMS陀螺静态在第二预设时长内输出的平均值；
获取模块，用于所述复合测量装置在X轴、Y轴和Z轴分别转动预设角度后，获取所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出；
处理模块，用于基于单轴FOG输出作为基准值，根据所述三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后的输出对三轴陀螺标度误差进行卡尔曼滤波估计，得到所述三轴MEMS陀螺标度误差估计值；
所述处理模块具体用于，建立卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，对系统的状态变量进行估计；
所述状态方程为Xk＝Xk-1+Wk-1，X＝[Sx Sy Sz]为状态变量向量；Wk-1是系统噪声序列；
所述观测方程为：
H1＝[cosαcosβ cosαsinβ sinα]；
Figure FDA0002553585380000021
H＝H1H2；
Z＝H1H2-wf＝HX；
Sx、Sy、Sz分别为三轴MEMS陀螺静态输出，α是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系高度角，β是单轴FOG敏感轴相对三轴MEMS陀螺体坐标系方位角，wibx、wiby和wibz分别是三轴MEMS陀螺补偿所述零位漂移估计值后输出，wf是单轴FOG输出，H阵即为测量矩阵，Z是观测值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述预设角度大于360°。
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