CN109459061A - 微惯性测量单元标定方法、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

一种微惯性测量单元标定方法、设备及计算机可读存储介质，所述方法包括如下步骤：将微惯性测量单元固定安装在三轴转台，进行多次动态和静态采样；构建MIMU标定理论误差模型和简化误差模型；利用非线性最小二乘法计算MIMU标度因数、安装误差、零偏误差；将所述标度因数、所述安装误差及所述零偏误差代入所述理论误差模型并利用零位修正算法对MIMU零偏及g灵敏度误差进行修正。通过将MIMU标度因数、安装误差、零偏做整体拟合，并在误差计算过程中采用非线性最小二乘算法，并结合零位修正，来计算微机械陀螺仪g灵敏度，提高了MIMU测量结果的准确性。

Description

微惯性测量单元标定方法、设备及计算机可读存储介质

技术领域

本发明实施例涉及测量组件标定技术领域，更具体地说是微惯性测量单元标定方法、电子设备及计算机程序产品。

背景技术

微惯性测量单元(Micro Inertial MeasurementUnit，MIMU)是构成惯性导航系统的核心硬件基础，由三轴微机械陀螺仪和三轴微机械加速度计组成。在MIMU内部，三轴惯性元件正交安装，以达到实现三维空间中全方向测量和导航的目的。

然而，将惯性元件安装到MIMU基座上时，由于基座支架加工的垂直度误差，以及惯性元件的真实输入基准轴和理想输入轴之间存在失准角误差，使得MIMU中三轴陀螺以及三轴加速度计的实际输入轴组成的坐标系是一个非直角坐标系。然而，提供给惯性导航解算的数据应该是在统一直角坐标系下表示的角速度和比力矢量，为了实现从非直角坐标系到直角坐标系的测量转换，须在使用前对其进行标定工作。

现有部分技术将MIMU确定性误差分开计算，忽略了误差项之间的相互作用，然而，单轴惯性元件实际输入值和测量值存在标度因数和零偏误差，须同时进行补偿。且三轴微机械陀螺仪g灵敏度一直未受到充分重视，在加速度变化较大情况下g灵敏度带来的陀螺误差会严重影响陀螺输出精度。

虽然现有部分技术将MIMU标度因数和安装误差做整体拟合，利用线性最小二乘法得出此项误差，然而，由于线性最小二乘法是直接对误差构造函数进行求导得出解析解，是非迭代法，因此计算结果存在较大误差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种微惯性测量单元标定方法，能够提高标定结果的准确性。为了实现上述目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

本发明实施例第一方面，提供一种对微惯性测量单元的标定方法，该方法包括如下步骤：

1)对安装在三轴转台上的MIMU微惯性测量单元进行多次动态采样和静态采样；

2)构建MIMU标定理论误差模型和简化误差模型；

3)利用多次动态采样和静态采样的采样数据，结合简化误差模型，以非线性最小二乘法计算MIMU标度因数、安装误差、零偏误差；

4)将所述标度因数、所述安装误差及所述零偏误差代入所述理论误差模型并利用零位修正算法对MIMU零偏及g灵敏度误差进行修正。优选的，步骤1)中的动态和静态采样具体包括：

S1：将MIMU固定安装在三轴转台，MIMU坐标系X-Y-Z分别与转台坐标系X-Y-Z重合，误差不超过规定值；

S2：加电启动MIMU，并将转台回到零位；

S3：设定MIMU输出数据的采样间隔时间和采样次数；

S4：给转台加电，设置转台的转动角速度和转动方向，先设正转，启动转台，角速度平稳后测试MIMU输出，得到正转输入角速度下MIMU输出的平均值；

S5：设定与动态采样同样的角速度，使转台反转，采样方法与动态采样相同，得到反转输入角速度下MIMU输出的平均值，完成动态采样；在转台的正转与反转过程中，转台输入角速度从小到大的顺序改变，不少于4个角速度档，并包括最大输入角速度。

S6：角速率测试结束后，分别测试转台静止时MIMU的输出，并完成静态采样。分别在MIMU体坐标系X-Y-Z轴三个轴分别竖直向上和竖直向下6种情况下进行所述动态采样和静态采样。

本发明实施例第二方面还提供一种微惯性测量单元标定设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，该所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述第一方面所述方法的步骤。

本发明实施例第三方面还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实施如上述第一方面所述方法。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

通过在标定模型中将MIMU标度因数、安装误差、零偏做整体拟合，并在误差计算过程中采用非线性最小二乘算法，并结合零位修正，来计算微机械陀螺仪g灵敏度，提高了MIMU测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的标定方法流程图。

图2为本发明采样流程图。

图3MIMU的6种安装情况示意图。

图4为电子设备结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

作为一种实现方式，本方案涉及一种微惯性测量单元的标定装置，包括由三轴微机械陀螺仪和三轴微机械加速度计组成的微惯性测量单元、三轴转台和数据处理模块，其特征在于，数据处理模块包括模型构造模块和计算模块。

同时，本方案还涉及一种对微惯性测量单元的标定方法,包括如下步骤:

1)将微惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，MIMU)固定安装在三轴转台，使得MIMU坐标系X-Y-Z与转台坐标系X-Y-Z重合，误差不超过规定值；

2)MIMU加电启动，转台回到零位；

3)设定MIMU输出数据的采样间隔时间和采样次数；

4)转台加电，设置转台的转动角速度和转动方向，先设正转，启动转台，角速度平稳后测试MIMU输出，得到正转输入角速度下MIMU输出的平均值；

5)设定同样的角速度，使转台反转，方法与4)相同，得到反转输入角速度下MIMU输出的平均值，转台输入角速度从小到大的顺序改变，不少于4个角速度档，包括最大输入角速度；

6)角速率测试结束后，分别测试转台静止时MIMU的输出，并完成静态采样；

7)以上4)～6)分别在MIMU体坐标系Z-X-Y轴三个轴竖直向上、竖直向下6种情况下进行；

8)构建MIMU标定理论误差模型和简化误差模型；

9)利用多次动态采样和静态采样的采样数据，结合简化误差模型，以非线性最小二乘法计算MIMU标度因数、安装误差、零偏误差；

10)将步骤9)中计算的结果代入理论误差模型，并利用零位修正算法对MIMU零偏及g灵敏度误差进行修正。

其中，MIMU标定理论误差模型包括：

微机械陀螺仪：

微机械加速度计：

式中：W_xo,W_yo,W_zo——三轴陀螺仪真实输入值；

A_xo,A_yo,A_zo——三轴加速度计真实输入值；

W_xi,W_yi,W_zi——三轴陀螺仪测量值；

A_xi,A_yi,A_zi——三轴加速度计测量值；

W_x0,W_y0,W_z0——三轴陀螺仪零偏值；

A_x0,A_y0,A_z0——三轴加速度计零偏值；

K_cx,K_cy,K_cz——三轴陀螺仪g灵敏度；

K_gx,K_gy,K_gz——三轴陀螺仪标度因数；

K_ax,K_ay,K_az——三轴加速度计标度因数；

E_gxy,E_gxz,E_gyx,E_gyz,E_gzx,E_gzy——三轴陀螺仪安装误差；

E_axy,E_axz,E_ayx,E_ayz,E_azx,E_azy——三轴加速度计安装误差。

误差模型是通过对每次MIMU采集数据进行平均来构建：

式中

其中：K_x,K_y,K_z——MIMU传感器标度因数；

E_xy,E_xz,E_yx,E_yz,E_zx,E_zy——MIMU传感器安装误差；

w_x0,w_y0,w_z0——MIMU传感器零偏值。

简化误差模型是利用对每次MIMU采集数据进行平均，并简化MIMU标定理论误差模型后得到。如上述转台试验中，绕Z轴以20°/s速度旋转，式(1)简化表示为：

式中：

步骤9)包括建立非线性最小二乘等式，设置迭代初值为：

利用非线性最小二乘法得到迭代后的K,E,b。

将迭代后得到的K,E,b代入理论误差模型，进行MIMU零偏及g灵敏度误差进行修正。

以上4)～6)分别在MIMU体坐标系Z-X-Y轴三个轴竖直向上、竖直向下6种情况(图3)下进行，具体如图3所示的MIMU安装情况，计算陀螺仪g灵敏度：

由位置一、二:

由位置三、四:

由位置五、六:

式中：g为当地重力加速度。

计算加速度计零位修正：

由位置一、二:

由位置三、四:

由位置五、六:

修正后的加速度计零偏为：

再一方面，基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种微惯性测量单元标定设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，该所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的标定方法。

再一方面，基于同一发明构思，本方案实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的标定方法。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种对微惯性测量单元的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

对安装在三轴转台上的MIMU进行多次动态采样和静态采样；

构建MIMU标定理论误差模型和简化误差模型；

利用多次动态采样和静态采样的采样数据，结合简化误差模型，以非线性最小二乘法计算MIMU标度因数、安装误差、零偏误差；

将所述标度因数、所述安装误差及所述零偏误差代入所述理论误差模型并利用零位修正算法对MIMU零偏及g灵敏度误差进行修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对安装在三轴转台上的MIMU微惯性测量单元进行多次动态采样和静态采样具体包括：

将MIMU固定安装在三轴转台，MIMU坐标系X-Y-Z分别与转台坐标系X-Y-Z重合，误差不超过规定值；

加电启动MIMU，并将转台回到零位；

设定MIMU输出数据的采样间隔时间和采样次数；

给转台加电，设置转台的转动角速度和转动方向，先设正转，启动转台，角速度平稳后测试MIMU输出，得到正转输入角速度下MIMU输出的平均值；

设定与动态采样同样的角速度，使转台反转，采样方法与动态采样相同，得到反转输入角速度下MIMU输出的平均值，完成动态采样；

角速率测试结束后，分别测试转台静止时MIMU的输出，并完成静态采样。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：分别在MIMU体坐标系X-Y-Z轴三个轴分别竖直向上和竖直向下6种情况下进行所述动态采样和静态采样。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在转台的正转与反转过程中，转台输入角速度从小到大的顺序改变，不少于4个角速度档，并包括最大输入角速度。

5.根据权利要求1所述的对微惯性测量单元的标定方法，其特征在于，MIMU标定理论误差模型包括：

微机械陀螺仪：

微机械加速度计：

式中：W_xo,W_yo,W_zo——三轴陀螺仪真实输入值；

A_xo,A_yo,A_zo——三轴加速度计真实输入值；

W_xi,W_yi,W_zi——三轴陀螺仪测量值；

A_xi,A_yi,A_zi——三轴加速度计测量值；

W_x0,W_y0,W_z0——三轴陀螺仪零偏值；

A_x0,A_y0,A_z0——三轴加速度计零偏值；

K_cx,K_cy,K_cz——三轴陀螺仪g灵敏度；

K_gx,K_gy,K_gz——三轴陀螺仪标度因数；

K_ax,K_ay,K_az——三轴加速度计标度因数；

E_gxy,E_gxz,E_gyx,E_gyz,E_gzx,E_gzy——三轴陀螺仪安装误差；

E_axy,E_axz,E_ayx,E_ayz,E_azx,E_azy——三轴加速度计安装误差。

6.根据权利要求1所述的对微惯性测量单元的标定方法，其特征在于，所述简化误差模型是利用对每次MIMU采集数据进行平均，并简化MIMU标定理论误差模型后得到，简化误差模型为：

式中：

其中：K_x,K_y,K_z——MIMU传感器标度因数；

E_xy,E_xz,E_yx,E_yz,E_zx,E_zy——MIMU传感器安装误差；

w_x0,w_y0,w_z0——MIMU传感器零偏值。

7.根据权利要求1所述的对微惯性测量单元的标定方法，其特征在于，所述利用非线性最小二乘法计算MIMU标度因数、安装误差、零偏误差还包括建立非线性最小二乘等式，设置迭代初值为：

利用非线性最小二乘法得到迭代后的K,E,b。

8.根据权利要求7所述的微惯性测量单元标定方法，其特征在于，将迭代后得到的K,E,b代入所述理论误差模型，求得正确的静止数据，再根据正确的静止数据进行零位修正和g灵敏度的计算。

9.一种微惯性测量单元标定设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，该所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实施如权利要求1至8中任一项所述的方法。