CN109506678B - 基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及属于惯性传感技术领域，特别涉及一种基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，包括采集加速度计信号并计算单位时间内角度变化量；求取单位时间内加速度信号的平均值；对加速度信息进行有效性判断；计算第t时刻的载体姿态角和第t+1时刻的载体姿态角；根据t+1时间角速率积分值进行姿态解算，得到陀螺仪解算出的t+1时刻的解算载体姿态角；判断第t+1时刻的陀螺仪与加速度计载体姿态角差的绝对值是否小于预设阈值，若小于则判定陀螺仪正常；本发明采用MEMS惯性测量组合中加速度计在重力场中求解载体姿态角，与陀螺仪积分进行对比的自检方法，对陀螺仪的零偏及动态输出均进行了检查，提高了陀螺仪自检的准确性。

Description

基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法
技术领域
本发明涉及属于惯性传感技术领域，特别涉及基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法。
背景技术
MEMS惯性测量组合是由三个陀螺仪和三个加速度计组成，测量载体6轴惯性参数的惯性传感器组合。其中MEMS陀螺仪是MEMS惯性测量组合核心传感器之一，通常在上电后需对其进行自检，判定其是否正常工作。MEMS陀螺仪输出可简化为：
ω＝ω0+ωi；
其中，ω表示陀螺输出，ω0表示陀螺零偏，ωi表示载体角速度。
目前MEMS陀螺仪的自检主要针对静态条件，此时载体角速率ωi为零，陀螺仪输出ω等于陀螺零偏ω0；而陀螺仪零偏ω0在出厂时有范围要求，通过判断ω是否满足出厂时的设定即可有效识别MEMS陀螺仪工作是否正常。但是在载体处于动态条件下，因载体角速率ωi未知，陀螺仪输出ω是一个随机信号，无法对其正确性进行判断，从而不能识别陀螺仪是否处于正常工作状态。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供动态下一种MEMS惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，具体包括如下步骤：
S1、微机电系统MEMS惯性测量组合上电后采集3轴陀螺仪和3轴加速度计的信号，得到角速率信号和加速度信号；
S2、对角速率信号进行滑动积分，计算单位时间内角度变化量；并对加速度信号进行滤波，求取单位时间内加速度信号的平均值；
S3、对加速度信息进行有效性判断，若加速度信息为有效，则进行步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、判断是否得到两组相邻加速度数据，若得到则根据此两组相邻加速度数据数据分别计算得到第t时刻的载体姿态角和第t+1时刻的载体姿态角；否则返回步骤S3；
S5、将第t时刻的姿态角作为初始姿态角，初始化四元数；根据t+1时刻角速率积分值进行姿态解算，得到陀螺仪解算出的t+1时刻的解算载体姿态角；
S6、判断第t+1时刻的陀螺仪解算载体姿态角与加速度计得到载体姿态角差的绝对值是否小于预设阈值，若小于则判定陀螺仪正常，反之则判定陀螺仪故障。
优选的，不同类型的平台采用不同的预设阈值，机载平台的预设阈值设为3°、船载平台预设阈值设为1°、车载平台设预设阈值为2°。
进一步的，单位时间内角度变化量Δθt表示为：
Figure GDA0002605129290000021
其中，Δθt表示在t-1～t时间内角度变化量，ωout表示陀螺的输出。
优选的，单位时间内加速度信号的平均值表示为：
Figure GDA0002605129290000022
其中，ΔAt表示单位时间内加速度信号的平均值，ai表示第i时刻的加速度值。
进一步的，所述对加速度信息进行有效性判断包括根据若|at-1|大于加速度阈值
Figure GDA0002605129290000023
则认为加速度信息为无效，否则为有效；其中
Figure GDA0002605129290000024
为加速度阈值，at为三轴加速度平方和。
优选的，不同类型的平台采用不同的加速度阈值，机载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000031
设为0.05g、船载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000032
设为0.02g、车载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000033
设为0.03g。
进一步的，三轴加速度平方和at表示为：
at＝ΔAxt 2+ΔAyt 2+ΔAzt 2；
其中，ΔAxt表示第t时刻x轴上的加速度，ΔAyt表示第t时刻y轴上的加速度，ΔAzt表示第t时刻z轴上的加速度。
进一步的，所述姿态角包括横滚角和俯视角。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
1、采用MEMS惯性测量组合中加速度计在重力场中求解载体姿态角，与陀螺仪积分进行对比的自检方法，对陀螺仪的零偏及动态输出均进行了检查，提高了陀螺仪自检的准确性；
2、对加速度信号有效性进行判断及提取的方式，使本方法可在机载的平飞和悬停段、船载常规航行段、车载平稳行进中均可使用，解决常规方法陀螺仪零位自检不能动态使用的难题。
附图说明
图1为本发明一种MEMS惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法流程图。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明提出一种MEMS惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，如图1，具体包括以下步骤：
S1、MEMS惯性测量组合上电后采集3轴陀螺仪和3轴加速度计的信号，得到角速率信号和加速度信号；
S2、对角速率信号进行滑动积分，计算单位时间内角度变化量；并对加速度信号进行滤波，求取单位时间内加速度信号的平均值；
S3、对加速度信息进行有效性判断，若加速度信息为有效，则进行步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、判断是否得到两组相邻加速度数据，若得到则根据此两组相邻加速度数据数据分别计算得到第t时刻的载体姿态角和第t+1时刻的载体姿态角；否则返回步骤S3；其中，姿态角包括横滚角θ和俯视角ψ；
S5、将第t时刻的姿态角作为初始姿态角，此处将初始的横滚角和俯视角分别记为θat、ψat，初始化四元数；根据t+1时刻角速率积分值进行姿态解算，得到陀螺仪解算出的t+1时刻的解算载体姿态角；将t+1时刻的解算载体姿态角记为θg(t+1)、ψg(t+1)；其中四元数为表示三维旋转的参数，此处不作详解；
S6、将t+1时刻的解算载体姿态角与加速度计得到的第t+1时刻的载体姿态角进行比较，若二者之差的绝对值小于预设阈值，此处的预设阈值根据产品特性设置，通常将机载平台的预设阈值设为3°、船载平台预设阈值设为1°、车载平台设预设阈值为2°，则判定陀螺仪正常，反之则判定陀螺仪故障。
优选的，单位时间内角度变化量Δθt表示为：
Figure GDA0002605129290000041
其中，Δθt表示在t-1～t时间内角度变化量，ωout表示陀螺的输出。
优选的，单位时间内加速度信号的平均值表示为：
Figure GDA0002605129290000042
其中，ai表示第i时刻的加速度值。
优选的，所述对加速度信息进行有效性判断包括根据若
Figure GDA0002605129290000051
大于加速度阈值
Figure GDA0002605129290000052
此处的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000053
根据产品特性设置，通常将通常机载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000054
设为0.05g、船载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000055
设为0.02g、车载平台的加速度阈值
Figure GDA0002605129290000056
设为0.03g，则认为加速度信息为无效，否则为有效。
优选的，三轴加速度平方和at表示为：
at＝ΔAxt 2+ΔAyt 2+ΔAzt 2；
其中，ΔAxt表示第t时刻x轴上的加速度，ΔAyt表示第t时刻y轴上的加速度，ΔAzt表示第t时刻z轴上的加速度。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、微机电系统MEMS惯性测量组合上电后采集3轴陀螺仪和3轴加速度计的信号，分别得到角速率信号和加速度信号；
S2、对角速率信号进行滑动积分，计算单位时间内角度变化量；并对加速度信号进行滤波，求取单位时间内加速度信号的平均值；
S3、对加速度信息进行有效性判断，若加速度信息为有效，则进行步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、判断是否得到两组相邻加速度数据，若得到则根据此两组相邻加速度数据数据分别计算得到第t时刻的载体姿态角和第t+1时刻的载体姿态角；否则返回步骤S3；
S5、将第t时刻的姿态角作为初始姿态角，初始化四元数；根据t+1时刻角速率积分值进行姿态解算，得到陀螺仪解算出的t+1时刻的解算载体姿态角；
S6、判断第t+1时刻的陀螺仪解算载体姿态角与加速度计得到载体姿态角差的绝对值是否小于预设阈值，若小于则判定陀螺仪正常，反之则判定陀螺仪故障。
2.根据权利要求1所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，不同类型的平台采用不同的预设阈值，机载平台的预设阈值设为3°、船载平台预设阈值设为1°、车载平台设预设阈值为2°。
3.根据权利要求1所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，单位时间内角度变化量Δθt表示为：
Figure FDA0002605129280000011
其中，Δθt表示在t-1～t时间内角度变化量，ωout表示陀螺的输出。
4.根据权利要求1所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，单位时间内加速度信号的平均值表示为：
Figure FDA0002605129280000021
其中，ΔAt表示单位时间内加速度信号的平均值，ai表示第i时刻的加速度值。
5.根据权利要求1所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，所述对加速度信息进行有效性判断包括根据若|at-1|大于
Figure FDA0002605129280000022
则认为加速度信息为无效，否则为有效；其中
Figure FDA0002605129280000023
为加速度阈值，at为三轴加速度平方和。
6.根据权利要求5所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，不同类型的平台采用不同的加速度阈值，机载平台的加速度阈值
Figure FDA0002605129280000024
设为0.05g、船载平台的加速度阈值
Figure FDA0002605129280000025
设为0.02g、车载平台的加速度阈值
Figure FDA0002605129280000026
设为0.03g。
7.根据权利要求5所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，三轴加速度平方和at表示为：
at＝ΔAxt 2+ΔAyt 2+ΔAzt 2；
其中，ΔAxt表示第t时刻x轴上的加速度，ΔAyt表示第t时刻y轴上的加速度，ΔAzt表示第t时刻z轴上的加速度。
8.根据权利要求1所述的基于微机电系统的惯性测量组合中陀螺仪动态自检方法，其特征在于，所述姿态角包括横滚角和俯视角。
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