CN109211278A - 一种mimu加速度计非线性度自动标定的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MIMU加速度计非线性度自动标定的系统与方法，由离心机承载多个MIMU加速度计按预定角度和加速度进行转动；数据采集单元采集安装在离心机上的MIMU加速度计的输出数据；对数据采集单元采集的数据进行计算，利用静态数据和小离心加速度数据实现敏感轴向识别、半径自动标定和安装误差标定，本专利实现的方法简单，标定精度高，标定流程无人化。

Description

一种MIMU加速度计非线性度自动标定的系统与方法
技术领域
本发明属于微惯性测量单元的标定、测试技术领域，特别涉及了一种用于MIMU加速度计非线性度自动标定的系统与方法。
背景技术
现有MIMU(微型惯性测量单元Miniature Inertial Measurement Unit)加速度计的非线性度标定方法为将器件安装在离心机上，首先通过半径测量或半径标定的方式确定离心半径，然后通过离心机提供不同离心加速度分别实现三个轴向加速度计的非线性度标定。在标定过程中，多器件不同轴向的同时标定、惯性器件安装位置的不同、MIMU安装位置与角度误差等因素造成标定精度降低，标定过程与数据处理非常烦琐，并且会引入人为因素误差。
发明内容
本发明的目的：
本专利提出了一种新的基于轴向自动识别、半径自动标定和误差自动标定的MIMU加速度计非线性度自动标定的系统与方法，它利用计算机对数据采集、电源、离心机和三轴转台程控实现标定过程自动化，利用静态数据和小离心加速度数据实现敏感轴向识别、半径自动标定和安装误差标定，本专利实现的方法简单，标定精度高，标定流程无人化。
实现本发明目的技术解决方案为：
一种MIMU加速度计非线性度自动标定的系统，其特征是，包括：
离心机，用于承载多个MIMU按预定角度和加速度进行转动；
数据采集单元，用于采集安装在离心机上的MIMU的加速度计和陀螺仪的输出数据；
计算机，用于对数据采集单元采集的数据进行计算，通过对采集的数据进行拟合确定敏感轴数据所在列、加速度计标定标度因数Kci，得到各个MIMU的该安装轴向的加速度计的实际安装半径，结合预定的各离心加速度计算得到对应的角速度构成的角速度数组；以此角速度数组和实际安装半径计算实际的离心加速度数组；
使离心机按照该角速度数组进行旋转并对加速度计输出数据进行采集记录，根据确定的敏感轴以及实际的离心加速度数组对MIMU该安装轴向的加速度计进行线性拟合，完成各MIMU的该安装轴向的加速度计的非线性度标定。
由于每个MIMU中包含X、Y、Z三个轴向相互垂直的加速度计和陀螺仪，标定加速度计时依次对三个轴向标定，一个轴向即一个加速度计使用多个离心加速度进行标定；一个轴向标定结束后进行另外两个轴向即两个加速度计依次标定。
一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：将承载着多个MIMU的离心机以位置模式分别转动至0°、90°、180°、270°的位置，离心机再以离心力模式分别以设定倍数的离心加速度转动，对每个MIMU以txt的格式按列存储记录六次转动的加速度计和陀螺仪的采样数据分别存储为六个文件，对应文件名称为P0、P90、P180、P270、V1g和V2g；
每个MIMU每次转动的采样数据包含X、Y、Z三个轴向的陀螺仪和加速度计数据，即X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、Z轴陀螺仪、X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计；采样频率为400Hz，即平均0.0025秒采集一组数据，每组数据以一行的方式进行存储；
步骤四：对以上六个文件中的数据对应列分别求平均，将文件P0、P90、P180和P270的均值数据再次取平均得到加速度计V0g数据，文件V1g和V2g中的数据为V_1g和V_2g,对各对应列V0g、V_1g和V_2g数据进行线性拟合，拟合式中的一次项与已知标度因数在预设范围内，并且线性拟合的非线性度小于已设定的范围以内的为敏感轴数据所在列；
步骤五：根据步骤四拟合得到的拟合式一次项为加速度计标定标度因数Kci，根据加速度计标定标度因数Kci、已知标度因数Ki和默认半径进行实际安装半径Ri标定；
步骤六：对多个MIMU加速度计数据进行步骤四和步骤五处理，得到各个MIMU中加速度计的实际安装半径，选择所有MIMU的加速度计实际安装半径中最小的值为离心加速度半径参数，根据此半径参数结合预定的离心加速度构成的数组得到对应的角速度构成的角速度数组，角速度数组可以向上取整；每个MIMU的加速度计以此角速度数组和实际安装半径计算实际的离心加速度数组；
步骤七：离心机以角速度模式，使用步骤六中得到的角速度数组进行加速度计非线性度标定，离心机按照该角速度数组进行旋转并对加速度计输出数据进行采集记录，根据步骤四中得到的各个MIMU的加速度计的敏感轴以及步骤六中的实际的离心加速度数组对每个加速度计进行线性拟合，完成各MIMU的一个轴向加速度计的非线性度标定；
步骤八：更换MIMU的加速度计轴向，重复步骤二至步骤七实现各MIMU另外两个轴向加速度计的非线性度标定。
多个MIMU的加速度计在标定时，可以同时对各MIMU中的同一轴向的加速度计(如X轴加速度计)进行标定，一个轴向标定结束后再标定其他轴向的加速度计(如Y轴加速度计和Z轴加速度计；也可以同时对各MIMU中的不同轴向的加速度计(如对其中一个MIMU中的X轴加速度计和另一个MIMU中的Y轴加速度计)进行标定，该轴向标定后再对各MIMU中的加速度计进行更换轴向，实现各MIMU中的另外两个轴向加速度计的标定。
步骤一中，离心机以位置模式分别转动至0°、90°、180°、270°的位置后保持一设定时间再以设定的加速度转动。
步骤一中，设定倍数的离心加速度为1g和2g。
步骤一中，设定倍数的加速度按照设定时长转动。
步骤四中，拟合式中的一次项与已知标度因数的预设范围为一次项与已知标度因数的差值小于已知标度因数的10％～20％。
步骤四中，非线性度已设定的范围为陀螺仪非线性度的5倍以内。
实际安装半径Ri标定计算式为：
本发明的优点为：
(1)本专利提出的一种用于MIMU加速度计非线性度自动标定的系统，功能完善，兼容基于离心机和三轴转台的加速度计非线性度标定，从输入量设定到数据处理全过程自动化。
(2)本专利提出的一种用于MIMU加速度计非线性度自动标定的方法易于实现，标定精度高，可以实现轴向自动识别、半径自动标定以及补偿安装误差带来的影响。
附图说明
图1是用于MIMU加速度计非线性度自动标定的系统；
图2是MIMU加速度计非线性度自动标定流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的用于MIMU加速度计非线性度自动标定的系统，包括数据采集、电源、离心机和三轴转台，其中离心机用于大量程加速度计非线性度标定，三轴转台适用于小量程加速度计非线性度标定。
系统标定流程控制采用系统方案加载方式，通过更改系统方案可实现基于离心机和三轴转台的加速度计非线性度标定。
如图2所示，用于MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，具体步骤如下：
步骤一：将多个MIMU通过工装安装在离心机台(小量程选择三轴转台)面上，将电源和离心机上电；
步骤二：打开并运行标定系统软件，加载标定方案文件，对电源、MIMU器件和离心机进行通信测试，程控电源打开使器件上电预热1分钟；
步骤三：根据标定方案文件，离心机以位置模式分别转动至0°、90°、180°、270°，位置到位后保持30秒，离心机以离心力模式分别以1g、2g(默认半径500mm)转动30秒，记录多个MIMU输出数据，以单个MIMU为例，记录的数据包含三个陀螺仪、三个加速度计等信息，文件名称为P0、P90、P180、P270、V1g和V2g；
步骤四：对以上六个文件中的数据对应列分别求平均，将P0、P90、P180和P270的均值数据再次取平均为加速度计V0g数据，对各对应列V0g、V1g和V2g数据进行线性拟合，拟合的一次项与已知标度因数相近(差值小于已知标度因数10％)并且非线性度小于已设定的范围(加速度计非线性度5倍)以内的为敏感轴数据所在列；
步骤五：根据步骤四拟合得到的一次项为加速度计标定标度因数Kci，根据加速度计标定标度因数Kci、已知标度因数Ki和默认半径500mm进行实际半径Ri标定:
步骤六：对多个MIMU数据进行步骤四和步骤五处理，可得到各个MIMU器件的安装半径，选择所有器件安装半径中最小的为离心加速度半径参数，由此得到各个离心加速度的角速度，角速度数组向上取整。每个MIMU器件以此角速度数组和实际半径计算实际的离心加速度数组；
步骤七：离心机以角速度模式，使用步骤六中得到的角速度数组进行加速度计非线性度标定，离心机按照角速度数组进行旋转并进行数据采集记录，根据步骤四中得到的各个MIMU的敏感轴以及步骤六中的实际离心加速度数组对每个器件进行线性拟合，完成MIMU一个轴向加速度计的非线性度标定；
步骤八：更换加速度计轴向(离心机需拆卸重新安装，三轴转台内框或中框旋转90°即可实现加速度计轴向更换)，重复步骤二至步骤七实现MIMU另外两个轴向加速度计的非线性度标定。
本专利提出的系统与方法，实现了标定过程自动化，避免了人为操作带来的误差，提高了标定精度与工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种MIMU加速度计非线性度自动标定的系统，其特征是，包括：
离心机，用于承载一个或多个MIMU按预定角度和加速度进行转动；
数据采集单元，用于采集安装在离心机上的MIMU的加速度计或者加速度计和陀螺仪的输出数据；
计算机，用于对数据采集单元采集的数据进行计算，通过对采集的数据进行拟合确定敏感轴数据所在列、加速度计标定标度因数Kci，得到各个MIMU的该安装轴向的加速度计的实际安装半径，结合预定的各离心加速度计算得到对应的角速度构成的角速度数组；以此角速度数组和实际安装半径计算实际的离心加速度数组；
使离心机按照该角速度数组进行旋转并对加速度计输出数据进行采集记录，根据确定的敏感轴以及实际的离心加速度数组对MIMU该安装轴向的加速度计进行线性拟合，完成各MIMU的该安装轴向的加速度计的非线性度标定。
2.一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：将承载着一个或多个MIMU的离心机以位置模式分别转动至0°、90°、180°、270°的位置，离心机再以离心力模式分别以设定倍数的离心加速度转动，对每个MIMU以txt的格式按列存储记录六次转动的加速度计和陀螺仪的采样数据分别存储为六个文件，对应文件名称为P0、P90、P180、P270、V1g和V2g；
步骤四：对以上六个文件中的数据对应列分别求平均，将文件P0、P90、P180和P270的均值数据再次取平均得到加速度计V0g数据，文件V1g和V2g中的数据为V_1g和V_2g,对各对应列V0g、V_1g和V_2g数据进行线性拟合，拟合式中的一次项与已知标度因数在预设范围内，并且线性拟合的非线性度小于已设定的范围以内的为敏感轴数据所在列；
步骤五：根据步骤四拟合得到的拟合式一次项为加速度计标定标度因数Kci，根据加速度计标定标度因数Kci、已知标度因数Ki和默认半径进行实际安装半径Ri标定；
步骤六：对多个MIMU加速度计数据进行步骤四和步骤五处理，得到各个MIMU中加速度计的实际安装半径，选择所有MIMU的加速度计实际安装半径中最小的值为离心加速度半径参数，根据此半径参数结合预定的离心加速度构成的数组得到对应的角速度构成的角速度数组；每个MIMU的加速度计以此角速度数组和实际安装半径计算实际的离心加速度数组；
步骤七：离心机以角速度模式，使用步骤六中得到的角速度数组进行加速度计非线性度标定，离心机按照该角速度数组进行旋转并对加速度计输出数据进行采集记录，根据步骤四中得到的各个MIMU的加速度计的敏感轴以及步骤六中的实际的离心加速度数组对每个加速度计进行线性拟合，完成各MIMU的一个轴向加速度计的非线性度标定；
步骤八：更换MIMU的加速度计轴向，重复步骤二至步骤七实现各MIMU另外两个轴向加速度计的非线性度标定。
3.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，步骤一中，离心机以位置模式分别转动至0°、90°、180°、270°的位置后保持一设定时间再以设定的加速度转动。
4.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，步骤一中，设定倍数的离心加速度为1g和2g。
5.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，步骤一中，设定倍数的加速度按照设定时长转动。
6.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，步骤四中，拟合式中的一次项与已知标度因数的预设范围为一次项与已知标度因数的差值小于已知标度因数的10％～20％。
7.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，步骤四中，非线性度已设定的范围为陀螺仪非线性度的5倍以内。
8.根据权利要求2所述的一种MIMU加速度计非线性度自动标定的方法，其特征是，实际安装半径Ri标定计算式为：
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