CN109186634B - 一种mems惯组导航性能测量方法及装置 - Google Patents

一种mems惯组导航性能测量方法及装置 Download PDF

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CN109186634B CN201811005593.5A CN201811005593A CN109186634B CN 109186634 B CN109186634 B CN 109186634B CN 201811005593 A CN201811005593 A CN 201811005593A CN 109186634 B CN109186634 B CN 109186634B
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Abstract

本发明提供一种MEMS惯组导航性能测量方法及装置，该方法包括：采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准获得初始姿态矩阵；采集MEMS惯组从初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，IMU输出的第二输出数据；基于初始姿态矩阵和第二输出数据进行惯性导航解算，获得IMU测量的轨迹、姿态以及位于目标位置时的速度；将IMU测量的轨迹、姿态以及位于目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；误差值为MEMS导航性能的测试指标，基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，位置基准为预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为MEMS惯组在初始位置的姿态。本发明降低了对MEMS惯组导航性能测量的操作难度。

Description

一种MEMS惯组导航性能测量方法及装置
技术领域
本发明涉及惯导技术领域，尤其涉及一种MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)惯组导航性能测量方法及装置。
背景技术
惯性导航通过航迹推算，实时为载体提供位置、速度、姿态信息，具有自主性和隐蔽性，广泛应用于车辆、飞机、舰船、卫星等领域，同时对导航精度提出了越来越高的要求。IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)的导航性能评价，传统方法是跑车测试等，操作复杂。因此，现有技术中对MEMS惯组导航性能测量的操作难度较高。
发明内容
本发明实施例提供一种MEMS惯组导航性能测量方法及装置，以解决对MEMS惯组导航性能测量的操作难度较高的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种MEMS惯组导航性能测量方法，该方法包括：
采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
可选的，进行初始对准的对准公式为：
Figure BDA0001783921920000021
Figure BDA0001783921920000022
ψ0＝0；
其中，
Figure BDA0001783921920000023
是加表X轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000024
是加表Y轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000025
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure BDA0001783921920000026
为：
Figure BDA0001783921920000027
可选的，进行惯性导航解算的计算公式为：
Figure BDA0001783921920000028
Figure BDA0001783921920000029
Figure BDA00017839219200000210
Figure BDA00017839219200000211
其中，
Figure BDA00017839219200000212
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[00g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure BDA00017839219200000213
的具体形式为：
Figure BDA00017839219200000214
Figure BDA00017839219200000215
和
Figure BDA00017839219200000216
分别是t时刻陀螺三轴输出。
可选的，所述预设轨迹为矩形，所述初始位置和目标位置重合。
第二方面，本发明实施例还提供了一种MEMS惯组导航性能测量装置，包括：
第一采集模块，用于采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
第二采集模块，用于采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
解算模块，用于基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
比对模块，用于将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
可选的，进行初始对准的对准公式为：
Figure BDA0001783921920000031
Figure BDA0001783921920000032
ψ0＝0；
其中，
Figure BDA0001783921920000033
是加表X轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000034
是加表Y轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000035
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure BDA0001783921920000036
为：
Figure BDA0001783921920000037
可选的，进行惯性导航解算的计算公式为：
Figure BDA0001783921920000038
Figure BDA0001783921920000039
Figure BDA00017839219200000310
Figure BDA0001783921920000041
其中，
Figure BDA0001783921920000042
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[00g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure BDA0001783921920000043
的具体形式为：
Figure BDA0001783921920000044
Figure BDA0001783921920000045
和
Figure BDA0001783921920000046
分别是t时刻陀螺三轴输出。
可选的，所述预设轨迹为矩形，所述初始位置和目标位置重合。
本发明实施例中，采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。由于仅需将对MEMS惯组按照预设轨迹进行平移，即可实现MEMS惯组导航性能测量，因此降低了对MEMS惯组导航性能测量的操作难度。
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MEMS惯组导航性能测量方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的MEMS惯组导航性能测量装置的结构图。
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MEMS惯组导航性能测量方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101，采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
步骤102，采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
步骤103，基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
步骤104，将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
本发明实施例中，上述预设轨迹的轨迹形状可以根据实际需要进行设置，可以为非闭合轨迹或者已知的规则的闭合轨迹。例如，所述预设轨迹为矩形，此时，所述初始位置和目标位置重合，以下将以上述预设轨迹为矩形为例进行说明。
在上述步骤101之前，可以设定矩形轨迹，通过米尺测量出矩形轨迹的尺寸，作为IMU位置测试性能的位置基准，以静态时零速作为IMU速度精度基准，以初始时刻(即位于初始位置时)IMU的姿态作为姿态测试基准；
上述步骤101中，MEMS惯组在初始位置静置预设时长(如20s)，采集此20s的第一输出数据进行初始对准，初始对准的对准公式如下：
Figure BDA0001783921920000061
Figure BDA0001783921920000062
ψ0＝0；
其中，
Figure BDA0001783921920000063
是加表X轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000064
是加表Y轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000065
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure BDA0001783921920000066
为：
Figure BDA0001783921920000067
在步骤102之前，可以保持MEMS惯组初始时刻的姿态，手持惯组沿设定的矩形轨迹，平移一周，回至原点(即目标位置)；
上述步骤102中，在平移的过程中实时采集IMU输出的第二输出数据，设定初始速度和位移均为0，通过惯性导航解算，得出IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度。
上述步骤103中，进行惯性导航解算的计算公式如下：
Figure BDA0001783921920000068
Figure BDA0001783921920000069
Figure BDA00017839219200000610
Figure BDA00017839219200000611
其中，
Figure BDA00017839219200000612
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[00g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure BDA00017839219200000613
的具体形式为：
Figure BDA00017839219200000614
Figure BDA00017839219200000615
和
Figure BDA00017839219200000616
分别是t时刻陀螺三轴输出。
本发明实施例中，采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。由于仅需将对MEMS惯组按照预设轨迹进行平移，即可实现MEMS惯组导航性能测量，因此降低了对MEMS惯组导航性能测量的操作难度。
参见图2，图2是本发明实施例提供的MEMS惯组导航性能测量装置的结构图，如图2所示，MEMS惯组导航性能测量装置包括：
第一采集模块201，用于采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
第二采集模块202，用于采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
解算模块203，用于基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
比对模块204，用于将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
可选的，进行初始对准的对准公式为：
Figure BDA0001783921920000071
Figure BDA0001783921920000072
ψ0＝0；
其中，
Figure BDA0001783921920000081
是加表X轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000082
是加表Y轴输出的均值，
Figure BDA0001783921920000083
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure BDA0001783921920000084
为：
Figure BDA0001783921920000085
可选的，进行惯性导航解算的计算公式为：
Figure BDA0001783921920000086
Figure BDA0001783921920000087
Figure BDA0001783921920000088
Figure BDA0001783921920000089
其中，
Figure BDA00017839219200000810
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[00g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure BDA00017839219200000811
的具体形式为：
Figure BDA00017839219200000812
Figure BDA00017839219200000813
和
Figure BDA00017839219200000814
分别是t时刻陀螺三轴输出。
可选的，所述预设轨迹为矩形，所述初始位置和目标位置重合。
本发明实施例中，采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。由于仅需将对MEMS惯组按照预设轨迹进行平移，即可实现MEMS惯组导航性能测量，因此降低了对MEMS惯组导航性能测量的操作难度。
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 (8)

1.一种MEMS惯组导航性能测量方法，其特征在于，包括：
采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行初始对准的对准公式为：
Figure FDA0002611035960000011
Figure FDA0002611035960000012
ψ0＝0；
其中，
Figure FDA0002611035960000013
是加表X轴输出的均值，
Figure FDA0002611035960000014
是加表Y轴输出的均值，
Figure FDA0002611035960000015
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure FDA0002611035960000016
为：
Figure FDA0002611035960000017
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进行惯性导航解算的计算公式为：
Figure FDA0002611035960000021
Figure FDA0002611035960000022
Figure FDA0002611035960000023
Figure FDA0002611035960000024
其中，
Figure FDA0002611035960000025
为IMU测量的姿态，
Figure FDA0002611035960000026
为IMU位于所述目标位置时的速度，
Figure FDA0002611035960000027
为IMU测量的位置，gn为IMU测量时的重力加速度；
Figure FDA0002611035960000028
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[0 0 g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure FDA0002611035960000029
的具体形式为：
Figure FDA00026110359600000210
Figure FDA00026110359600000211
和
Figure FDA00026110359600000212
分别是t时刻陀螺三轴输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设轨迹为矩形，所述初始位置和目标位置重合。
5.一种MEMS惯组导航性能测量装置，其特征在于，包括：
第一采集模块，用于采集MEMS惯组在初始位置静置预设时长的第一输出数据进行初始对准，获得初始姿态矩阵；
第二采集模块，用于采集所述MEMS惯组从所述初始位置按照预设轨迹平移至目标位置的过程中，惯性测量单元IMU输出的第二输出数据，平移过程中所述MEMS惯组的姿态保持不变；
解算模块，用于基于所述初始姿态矩阵和所述第二输出数据进行惯性导航解算，获得所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度；
比对模块，用于将所述IMU测量的轨迹、姿态以及位于所述目标位置时的速度与基准值进行对比，获得误差值；所述误差值为MEMS导航性能的测试指标，所述基准值包括位置基准、IMU速度精度基准和姿态测试基准，所述位置基准为所述预设轨迹的实际长度，IMU速度精度基准为静态时零速，姿态测试基准为所述MEMS惯组在所述初始位置的姿态。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，进行初始对准的对准公式为：
Figure FDA0002611035960000031
Figure FDA0002611035960000032
ψ0＝0；
其中，
Figure FDA0002611035960000033
是加表X轴输出的均值，
Figure FDA0002611035960000034
是加表Y轴输出的均值，
Figure FDA0002611035960000035
是加表Z轴输出的均值，θ0是初始位置俯仰角，γ0是初始位置的横滚角，ψ0分别是初始位置的横航向角；
所述初始姿态矩阵
Figure FDA0002611035960000036
为：
Figure FDA0002611035960000037
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，进行惯性导航解算的计算公式为：
Figure FDA0002611035960000038
Figure FDA0002611035960000039
Figure FDA00026110359600000310
Figure FDA00026110359600000311
其中，
Figure FDA0002611035960000041
为IMU测量的姿态，
Figure FDA0002611035960000042
为IMU位于所述目标位置时的速度，
Figure FDA0002611035960000043
为IMU测量的位置，gn为IMU测量时的重力加速度；
Figure FDA0002611035960000044
是t时刻的姿态矩阵；fb(t)是t时刻加表的输出；gn＝[0 0 g]T；v(t)是t时刻IMU导航解算的速度，s(t)是t时刻IMU导航解算的位置；l(t)是t时刻IMU解算出的位移；
Figure FDA0002611035960000045
的具体形式为：
Figure FDA0002611035960000046
Figure FDA0002611035960000047
和
Figure FDA0002611035960000048
分别是t时刻陀螺三轴输出。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预设轨迹为矩形，所述初始位置和目标位置重合。
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