CN110207724B - Imu阵列式全温标定方法及标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种IMU阵列式全温标定方法及标定装置，其通过测量各个轴向上，转台做正转、反转和静止时，被标定IMU的陀螺仪及加速度计输出数据，计算IMU输出模型中的相关系数，消除IMU偏离转台转轴引起的标定误差，实现多块IMU的同时标定；为实现该标定方法，本发明提供了一种IMU阵列式全温标定装置，该装置包括：六面体外框架、箱体框架、标定工装和温度控制系统。该装置将六面体结构与温箱设计相结合，可以在进行IMU动态标定的时候一并完成IMU的全温标定。

Description

IMU阵列式全温标定方法及标定装置

技术领域

本发明属于惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)标定技术领域，特别是一种IMU阵列式全温标定方法及标定装置。

背景技术

捷联惯导系统因其体积小、自主性高等优点在无人机、自动驾驶以及制导武器等领域广泛应用；捷联惯导系统的核心IMU为高精密系统，温度变化对于惯性器件工作性能的影响大，直接会影响产品的精度，为补偿IMU因温度变化、器件耦合项等因素产生的测量误差，需要进行全温标定，对不同温度下IMU的原始数据进行补偿校正。目前主流的单轴转台标定方法，IMU需要放在转台转轴上，因此每次只能标定一块IMU，效率较低，而且只能在IMU静止状态下完成IMU的全温标定。

本发明提出的阵列式的IMU标定方法及标定装置，通过消除IMU偏离转台转轴引起的标定误差。同时将六面体结构与温箱设计相结合，可以同时完成多块IMU的动态全温标定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以同时对多块IMU进行动态全温标定方法及实现该标定方法的标定装置。

为解决上述问题，本发明首先提出了一种IMU阵列式全温标定方法，其包括以下步骤：

步骤1、设定第一个标定温度；

步骤2、被标定IMU的z轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，其中一块被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出数据；

然后计算转台静止时，x轴陀螺仪数据平均值G_x1与x轴加速度计数据平均值A_x1，y轴陀螺仪数据平均值G_y1与y轴加速度计数据平均值A_y1，z轴陀螺仪数据平均值G_z1与z轴加速度计数据平均值A_z1；计算转台正转时，x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x1+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x1+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y1+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y1+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z1+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z1+ω；计算转台反转时，x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x1-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x1-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y1-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y1-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z1-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z1-ω；

被标定IMU的z轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x2与x轴加速度计数据平均值A_x2，y轴陀螺仪数据平均值G_y2与y轴加速度计数据平均值A_y2，z轴陀螺仪数据平均值G_z2与z轴加速度计数据平均值A_z2；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x2+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x2+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y2+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y2+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z2+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z2+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x2-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x2-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y2-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y2-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z2-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z2-ω；

被标定IMU的y轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3-ω；

被标定IMU的y轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x4与x轴加速度计数据平均值A_x4，y轴陀螺仪数据平均值G_y4与y轴加速度计数据平均值A_y4，z轴陀螺仪数据平均值G_z4与z轴加速度计数据平均值A_z4；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x4+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x4+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y4+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y4+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z4+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z4+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x4-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x4-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y4-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y4-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z4-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z4-ω；

被标定IMU的x轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x5与x轴加速度计数据平均值A_x5，y轴陀螺仪数据平均值G_y5与y轴加速度计数据平均值A_y5，z轴陀螺仪数据平均值G_z5与z轴加速度计数据平均值A_z5；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x5+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x5+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y5+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y5+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z5+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z5+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x5-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x5-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y5-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y5-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z5-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z5-ω；

被标定IMU的x轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x6与x轴加速度计数据平均值A_x6，y轴陀螺仪数据平均值G_y6与y轴加速度计数据平均值A_y6，z轴陀螺仪数据平均值G_z6与z轴加速度计数据平均值A_z6；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x6+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x6+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y6+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y6+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z6+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z6+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x6-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x6-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y6-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y6-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z6-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z6-ω；

步骤3、计算所述x轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gx为x轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_xz为x轴与z轴的安装误差系数，E_xy为x轴与y轴的安装误差系数，K_gx为x轴陀螺仪标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_xx为x轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_xy为x轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_xz为x轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gx为x轴陀螺仪的零偏，K_gx为x轴陀螺仪标度因素；

计算所述y轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gy为y轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_yz为y轴与z轴的安装误差系数，E_yx为y轴与x轴的安装误差系数，K_gy为y轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_yx为y轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_yy为y轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_yz为y轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gy为y轴陀螺仪的零偏，K_gy为y轴陀螺仪标度因素；

计算所述z轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gz为z轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_zx为z轴与x轴的安装误差系数，E_zy为z轴与y轴的安装误差系数，K_gz为z轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_zx为z轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_zy为z轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_zz为z轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gz为x轴陀螺仪的零偏，K_gz为x轴陀螺仪标度因素；

步骤4、视加速度计中心为敏感中心，不考虑向心加速度的耦合项，计算所述加速度计的各项系数，包括：

计算x轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_ax为x轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_xz为x轴与z轴的安装误差系数，L_xy为x轴与y轴的安装误差系数；K_ax为x轴加速度计标度因素，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_xx为x轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_xy为x轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_xz为x轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_ax为x轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，ε_ax为x轴加速度计的零偏，K_ax为x轴加速度计标度因素；

计算y轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_ay为y轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_yz为y轴与z轴的安装误差系数，L_yx为y轴与x轴的安装误差系数，K_ay为y轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_yx为y轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_yy为y轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_yz为y轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_ay为y轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，K_ay为y轴加速度计标度因素，ε_ay为y轴加速度计的零偏；

计算z轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_az为z轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_zy为z轴与y轴的安装误差系数，L_zx为z轴与x轴的安装误差系数；K_az为z轴加速度计标度因素，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_zx为z轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_zy为z轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_zz为z轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_az为z轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，K_az为z轴加速度计标度因素，ε_az为z轴加速度计的零偏；

步骤5、根据IMU中包含的六轴陀螺仪输出模型和加速度计输出模型，完成对所述IMU的标定，其中x,y,z为坐标系三轴，所述六轴陀螺仪输出模型的表达式如下：

式中，G_i为测量值，ω_i为角速率理想值，a_i为加速度理想值，ε_gi为陀螺仪噪声，K_gi标度因素，E_ii为安装误差，D_ii重力相关项，i为x,y,z；

所述加速度计输出模型如下所示，x,y,z为坐标系三轴，表示为：

式中，A_i为加速度测量值，K_ai为标度因素，ε_ai为加速度计噪声，M_xi为向心加速度相关项，L_ii为安装误差，ω_i为角速率理想值，i为x,y,z；

步骤6、设定下一个标定温度，重复步骤2-5，直到完成所有标定温度下被标定IMU的全温标定；以及

步骤7、重复步骤1-6，完成所有待标定IMU的标定。

上述标定方法中，通过测量各个轴向上，转台正反转转速ω和转台静止时，被标定IMU的陀螺仪及加速度计输出数据，计算IMU输出模型中的相关系数，消除IMU偏离转台转轴引起的标定误差，实现多块IMU的同时标定。

优选的，在所述步骤2中，利用并联数据采集方法，同时采集整列中所有被标定IMU的陀螺仪及加速度计输出数据，然后进行步骤2-7，同时完成所述阵列中所有IMU的全温标定。

本发明还提出一种实现IMU阵列式全温标定方法的IMU阵列式全温标定装置，其包括六面体外框架、箱体框架、标定工装和温度控制系统；所述六面体外框架作为所述全温标定装置的支撑体，所述箱体框架、温度控制系统和水冷系统安装于六面体外框架内部；所述箱体框架为内部中空的六面体，其内部温度可以控制调节，固定安装在六面体框架内部；所述标定工装固定于箱体框架内部，设置有多个IMU安装位置，用于固定需要标定的IMU；以及所述温度控制系统用于调节控制箱体框架内部温度，并将温度稳定至所需的各个标定值。

优选的，所述箱体框架的侧面附着有保温层材料。

优选的，所述温度控制系统包括制冷片、控制电路和温度传感器；

所述温度传感器置于调节箱体框架内部，制冷片安装在箱体框架的侧壁上；所述控制电路、温度传感器和制冷片形成闭环控制回路，所述控制电路调节制冷片电流使箱体框架两面产生温差从而改变箱内温度，将温度调节并稳定至所需的各个标定值；

上述IMU阵列式全温标定装置，将六面体结构与温箱设计相整合到一个标定装置中，从而可以在进行IMU动态标定的时候一并完成IMU的全温标定，克服现有技术仅在静态标定时进行全温标定的局限，提高标定效率和标定精度。

优选的，所述制冷片内部有散热片，安装位置的内侧侧壁上安装有散热片。

优选的，所述全温标定装置包括水冷系统，所述水冷系统包括水泵、水管、中空水冷铜片及散热风扇；

中空水冷铜片安装在制冷片外侧，制冷片的热量通过流过中空水冷铜片的水带至散热风扇处将热量散出。

优选的，所述箱体框架和六面体外框架相邻面垂直度要求0.01mm，对面平行度要求0.02mm。

优选的，所述箱体框架有IMU安装定位柱，所述安装柱与六面体上下平面平行度要求为0.02mm。

附图说明

图1为本发明实施例提出的IMU阵列式全温标定装置的外形示意图；

图2为本发明实施例提出的IMU阵列式全温标定装置的结构示意图；以及

图3为图1中IMU与标定工装安装示意图。

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。

本实施例公开一种小型单轴转台使用的IMU阵列式全温标定方法及标定装置，整个装置可以直接放置于单轴转台转台完成多个IMU的全温三轴标定。

以四IMU安装为例，如图3所示，四个IMU阵列安装于标定工装上，从图可知当标定工装安装于转台中心时，所有IMU并不是处于转台的转轴中心，所以IMU在转台转动后能够敏感到向心加速度从而影响标定精度，因此标定算法需要补偿这部分误差；

IMU中包含的六轴陀螺仪及加速度计输出模型如下所示(x,y,z为坐标系三轴)：

式中，G_i为测量值，ω_i为角速率理想值，a_i为加速度理想值，ε_gi为陀螺仪噪声，K_gi标度因素，E_ii为安装误差，D_ii重力相关项，i为x,y,z。

式中，A_i加速度测量值，K_ai为标度因素，ε_ai为加速度计噪声，M_xi为向心加速度相关项，L_ii为安装误差，i为x,y,z；标定过程即将上述各系数计算并校正传感器的输出；

以下将以标号1的IMU1为例详细说明标定算法；记当前位置IMU1测量中心与转台转轴中心的杆臂矢量为[r_x r_y r_z]，杆臂长度可由结构设计时确定；

以z轴向上正反转(转速ω)及静止数据输出为例，陀螺仪及加速度计输出如下所示：

1)朝上正转时各陀螺仪及加速度计输出形式：

2)朝上反转时各陀螺仪及加速度计输出形式：

3)朝上静止时各陀螺仪及加速度计输出形式：

4)朝下正转时各陀螺仪及加速度计输出形式(绕y轴翻转为例)：

5)朝下反转时各陀螺仪及加速度计输出形式：

6)朝下静止时各陀螺仪及加速度计输出形式：

其他各轴正反转及朝向输出情况相似，在此不一一列出，简单记为z轴向上静止时x轴陀螺仪与加速度计数据取平均后值为G_x1、A_x1，正转时陀螺仪与加速度计数据为G_x1+ω、A_x1+ω，反转时陀螺仪与加速度计数据为G_x1-ω、A_x1-ω；z轴向下静止数据为G_x2、A_x2，正转数据G_x2+ω、A_x2+ω，反转数据G_x2-ω、A_x2-ω、以此类推y轴向上数据分别为G_x3、A_x3、G_x3+ω、A_x3+ω、G_x3-ω、A_x3-ω，y轴向下数据分别为G_x4、A_x4、G_x4+ω、A_x4+ω、G_x4-ω、A_x4-ω，x轴向上数据分别为G_x5、A_x5、G_x5+ω、A_x5+ω、G_x5-ω、A_x5-ω，x轴向下数据分别为G_x6、A_x6、G_x6+ω、A_x6+ω、G_x6-ω、A_x6-ω；以上情况下，y轴和z轴陀螺仪与加速度计数据取平均后值的表示方法与x轴数据取平均后值的表示方法一一对应，不同之处在于将数据标更改为y或z，如z轴向上静止时y轴陀螺仪与加速度计数据取平均后值为G_y1、A_y1。

根据上述陀螺仪及加速度计的输出形式，即可推得各标定参数的计算方法，以x轴陀螺仪各参数计算如下：

标度因数：

安装误差：

加速度耦合项系数及零偏：

其他各轴陀螺仪的各项系数可按此推算，在此不一一列出；

x轴加速度计各项系数计算如下：

标度因数：

安装误差：

x轴加速度计关于陀螺仪相关项计算：

零偏计算：

其他各轴加速度计各项系数可按此类推计算，在此不一一列出；同时，采集数据时需要采集需要采集整圈数据再进行处理，消除地球转速等影响，保证标定数据的准确性；

至此，所有的加速度计和陀螺仪的相关系数全部解出，完成IMU标定参数的计算；

根据IMU中包含的六轴陀螺仪及加速度计输出模型，把上述解出的系数带入该输出模型，即可完成IMU标定。

为了实现上述标定流程中数据的采集，需要设计能够用于单轴转台的IMU阵列式全温标定装置，相关结构设计如图1和图2所示，该发明结构的主体包括六面体外框架1、箱体框架2、温控系统和水冷系统。

箱体框架2附着有保温层，六面体外框架1和箱体框架2整体采用铝合金材料，箱体框架2长边有螺纹孔，用于固定半导体制冷片6及其对应的散热铜板，优选地，半导体制冷片6使用时，通过考虑内部空间的升降温需求计算制冷功率，确定使用半导体制冷片6的制冷功率和总片数。为了保证传热效率需要在半导体制冷片6表面涂一层导热硅脂，通过减薄安装半导体制冷片6的箱体框架2的侧框架也能增加热传导效率。为了保证半导体制冷片6的使用寿命，其内部设有散热片，箱体框架2上安装半导体制冷片6位置对应的内侧侧壁上也增设散热片，半导体制冷片6外部配置中空水冷铜片及水冷系统7，水冷系统7包括水泵及散热风扇，热量通过流过半导体制冷片6外侧的水冷铜片的水带至散热风扇处将热量散出，水冷系统7不断循环，保证半导体制冷片6不会温度过高导致老化。

安装时先将保温层底层通过胶水粘接在箱体框架2外侧，然后将箱体框架2通过螺栓安装在六面体外框架1上；然后将半导体制冷片6制冷面涂抹硅脂后安装于箱体框架2外侧适当位置，然后将水冷系统7的散热铜片、水管、水泵等安装于箱体框架2和六面体外框架1的适当位置，将散热水路固定好，至此系统的整体安装完成；

全温标定的温度范围一般选取-45℃到80℃之间的固定区间温度点进行测量，半导体制冷片6可以通过调节电流使两面产生温差从而改变箱内温度，通过TEC选型使其最大温差满足温度在-45℃～80℃范围内的标定要求，能根据设计方案，将温度调节并稳定至所需的各个标定值；温控系统包括半导体制冷片6、控制电路和温度传感器。半导体制冷片6外接控制电路，与温控箱内部温度传感器闭环组成温度控制系统，实时控制温控箱内部温度，保证标定过程中的温度稳定。

三个保温层材料选择为保温泡沫材料，在空间位置上分别是上保温层3、竖直保温层4和下保温层5，上保温层3和下保温层5设置于箱体框架2上盖和下底面的内侧，竖直保温层4置于箱体框架2四周侧面的外侧，以减少金属外壳的热传导，提高制冷制热的效率；标定工装8用于固定需要标定的IMU，其上表面与下安装表面平面度要求0.02，以保证IMU安装在标定工装上之后的水平；标定工装8可根据不同型号IMU进行不同设计，只要保证与六面体外框架1配合孔位即可。

本发明的具体使用过程为：

首先，将需要标定的IMU安装阵列在标定工装8上，其上表面与下安装表面平面度要求0.02，六面体安置于转台表面；然后，根据箱内容积及最大温差计算温度变化所需的能量，与升温时间计算制冷功率，本实施例采用2片制冷功率为77W的TEC制冷片即可满足；

本实施例选择温度测量点-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃和70℃依次进行温度标定补偿；需要制冷时，温控板控制半导体制冷片6电流使其内侧制冷，将温控箱内温度降至零下，转台根据标定程序开始绕轴转动采集IMU数据，同时半导体制冷片6外侧的水冷系统7将热面热量不断散出，保证半导体制冷片6两面温差，防止烧坏；制热时温控板控制半导体制冷片6电流反向，使其内侧温度升高，温控箱内温度上升，内置温度传感器与温控板闭合控制温度稳定；

根据标定算法，标定过程中需要翻转六面体采集各面静止和正反转三组数据；每个温度点采集六面共十八组数据；

在数据采集完成后在上位机根据公式(1)～(14)进行标定算法计算，上述过程即可获得所有陀螺仪和加速度计的标度因数、安装误差、零偏等系统参数；各标定参数补偿到IMU输出中，即可完成整套IMU的标定工作，提高系统工作精度；尤其的本发明中涉及的标定算法不仅局限于本发明所涉及的单轴转台标定系统，同时可应用于三轴转台的多块IMU阵列标定工作。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种IMU阵列式全温标定方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、设定第一个标定温度；

步骤2、被标定IMU的z轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，其中一块被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出数据；

然后计算转台静止时，x轴陀螺仪数据平均值G_x1与x轴加速度计数据平均值A_x1，y轴陀螺仪数据平均值G_y1与y轴加速度计数据平均值A_y1，z轴陀螺仪数据平均值G_z1与z轴加速度计数据平均值A_z1；计算转台正转时，x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x1+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x1+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y1+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y1+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z1+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z1+ω；计算转台反转时，x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x1-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x1-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y1-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y1-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z1-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z1-ω；

被标定IMU的z轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x2与x轴加速度计数据平均值A_x2，y轴陀螺仪数据平均值G_y2与y轴加速度计数据平均值A_y2，z轴陀螺仪数据平均值G_z2与z轴加速度计数据平均值A_z2；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x2+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x2+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y2+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y2+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z2+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z2+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x2-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x2-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y2-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y2-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z2-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z2-ω；

被标定IMU的y轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x3-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x3-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y3-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y3-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z3-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z3-ω；

被标定IMU的y轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x4与x轴加速度计数据平均值A_x4，y轴陀螺仪数据平均值G_y4与y轴加速度计数据平均值A_y4，z轴陀螺仪数据平均值G_z4与z轴加速度计数据平均值A_z4；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x4+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x4+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y4+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y4+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z4+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z4+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x4-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x4-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y4-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y4-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z4-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z4-ω；

被标定IMU的x轴向上，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x5与x轴加速度计数据平均值A_x5，y轴陀螺仪数据平均值G_y5与y轴加速度计数据平均值A_y5，z轴陀螺仪数据平均值G_z5与z轴加速度计数据平均值A_z5；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x5+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x5+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y5+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y5+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z5+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z5+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x5-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x5-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y5-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y5-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z5-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z5-ω；

被标定IMU的x轴向下，测量转台进行正转、反转和静止时，所述被标定IMU的x轴、y轴和z轴陀螺仪及x轴、y轴和z轴加速度计输出，然后计算转台静止时x轴陀螺仪数据平均值G_x6与x轴加速度计数据平均值A_x6，y轴陀螺仪数据平均值G_y6与y轴加速度计数据平均值A_y6，z轴陀螺仪数据平均值G_z6与z轴加速度计数据平均值A_z6；计算转台正转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x6+ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x6+ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y6+ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y6+ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z6+ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z6+ω；计算转台反转时x轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_x6-ω与x轴加速度计转台整数周数据的平均值A_x6-ω，y轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_y6-ω与y轴加速度计转台整数周数据的平均值A_y6-ω，z轴陀螺仪转台整数周数据的平均值G_z6-ω与z轴加速度计转台整数周数据的平均值A_z6-ω；

步骤3、计算所述x轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gx为x轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_xz为x轴与z轴的安装误差系数，E_xy为x轴与y轴的安装误差系数，K_gx为x轴陀螺仪标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_xx为x轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_xy为x轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_xz为x轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gx为x轴陀螺仪的零偏，K_gx为x轴陀螺仪标度因素；

计算所述y轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gy为y轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_yz为y轴与z轴的安装误差系数，E_yx为y轴与x轴的安装误差系数，K_gy为y轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_yx为y轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_yy为y轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_yz为y轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gy为y轴陀螺仪的零偏，K_gy为y轴陀螺仪标度因素；

计算所述z轴陀螺仪各标定参数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中，K_gz为z轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

安装误差：

所述安装误差表达式中，E_zx为z轴与x轴的安装误差系数，E_zy为z轴与y轴的安装误差系数，K_gz为z轴陀螺仪的标度因数，ω为转台做正转和反转时的转速；

加速度耦合项系数及零偏：

所述加速度耦合项系数及零偏表达式中，D_zx为z轴陀螺仪与x轴加速度计的耦合系数，D_zy为z轴陀螺仪与y轴加速度计的耦合系数，D_zz为z轴陀螺仪与z轴加速度计的耦合系数；ε_gz为z轴陀螺仪的零偏，K_gz为z轴陀螺仪标度因素；

步骤4、视加速度计中心为敏感中心，不考虑向心加速度的耦合项，计算所述加速度计的各项系数，包括：

计算x轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_ax为x轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_xz为x轴与z轴的安装误差系数，L_xy为x轴与y轴的安装误差系数；K_ax为x轴加速度计标度因素，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_xx为x轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_xy为x轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_xz为x轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_ax为x轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，ε_ax为x轴加速度计的零偏，K_ax为x轴加速度计标度因素；

计算y轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_ay为y轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_yz为y轴与z轴的安装误差系数，L_yx为y轴与x轴的安装误差系数，K_ay为y轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_yx为y轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_yy为y轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_yz为y轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_ay为y轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，K_ay为y轴加速度计标度因素，ε_ay为y轴加速度计的零偏；

计算z轴加速度计的各项系数，包括：

标度因数：

所述标度因数表达式中K_az为z轴加速度计的标度因数，g为重力加速度；

安装误差：

所述安装误差表达式中，L_zy为z轴与y轴的安装误差系数，L_zx为z轴与x轴的安装误差系数；K_az为z轴加速度计标度因素，g为重力加速度；

耦合系数：

所述耦合系数表达式中，M_zx为z轴加速度计与x轴陀螺仪的耦合系数，M_zy为z轴加速度计与y轴陀螺仪的耦合系数，M_zz为z轴加速度计与z轴陀螺仪的耦合系数，K_az为z轴加速度计标度因素，ω为转台做正转和反转时的转速；

零偏计算：

所述零偏计算表达式中，K_az为z轴加速度计标度因素，ε_az为z轴加速度计的零偏；

步骤5、根据IMU中包含的六轴陀螺仪输出模型和加速度计输出模型，完成对所述IMU的标定，其中x,y,z为坐标系三轴，所述六轴陀螺仪输出模型的表达式如下：

式中，G_i为测量值，ω_i为角速率理想值，a_i为加速度理想值，ε_gi为陀螺仪噪声，K_gi标度因素，E_ii为安装误差，D_ii重力相关项，i为x,y,z；

所述加速度计输出模型如下所示，x,y,z为坐标系三轴，表示为：

式中，A_i为加速度测量值，K_ai为标度因素，ε_ai为加速度计噪声，M_xi为向心加速度相关项，L_ii为安装误差，ω_i为角速率理想值，i为x,y,z；

步骤6、设定下一个标定温度，重复步骤2-5，直到完成所有标定温度下被标定IMU的全温标定；以及

步骤7、重复步骤1-6，完成所有待标定IMU的标定。

2.根据权利要求1所述的IMU阵列式全温标定方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用并联数据采集方法，同时采集阵列中所有被标定IMU的陀螺仪及加速度计输出数据，然后进行步骤2-6，同时完成所述阵列中所有IMU的全温标定。

3.一种实现权利要求1至2之一所述的IMU阵列式全温标定方法的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，其包括六面体外框架(1)、箱体框架(2)、标定工装(8)和温度控制系统；

所述六面体外框架(1)作为支撑体，所述箱体框架(2)、温度控制系统和水冷系统(7)安装于六面体外框架(1)内部；

所述箱体框架(2)为内部中空的六面体，其内部温度能控制调节，固定安装在六面体框架(1)内部；

所述标定工装(8)固定于箱体框架(2)内部，设置有多个IMU安装位置，用于固定需要标定的IMU；

所述温度控制系统用于调节控制箱体框架(2)内部温度，并将温度稳定至所需的各个标定值。

4.根据权利要求3所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述温度控制系统包括制冷片(6)、控制电路和温度传感器；

所述温度传感器置于调节箱体框架(2)内部，制冷片(6)安装在箱体框架(2)的侧壁上；所述控制电路、温度传感器和制冷片(6)形成闭环控制回路，所述控制电路调节制冷片(6)电流使箱体框架(2)两面产生温差从而改变箱内温度，将温度调节并稳定至所需的各个标定值。

5.根据权利要求3所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述箱体框架的侧面均附着有保温层材料。

6.根据权利要求4所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述制冷片(6)内部有散热片，安装位置的内侧侧壁上安装有散热片。

7.根据权利要求4所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述全温标定装置包括水冷系统(7)，所述水冷系统(7)包括水泵、水管、中空水冷铜片及散热风扇；

中空水冷铜片安装在所述制冷片(6)外侧，所述制冷片(6)的热量通过流过中空水冷铜片的水带至散热风扇处将热量散出。

8.根据权利要求3所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述箱体框架(2)和六面体外框架(1)相邻面垂直度要求0.01mm，对面平行度要求0.02mm。

9.根据权利要求3所述的IMU阵列式全温标定装置，其特征在于，所述箱体框架(2)有IMU安装定位柱，所述IMU安装定位柱与六面体上下平面平行度要求为0.02mm。

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