CN110726852A - 一种mems加速度计温度补偿方法 - Google Patents

一种mems加速度计温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种MEMS加速度计温度补偿方法，包括如下步骤：（1）系统启动，导航计算机开启，MEMS加速度计以及温箱启动；（2）设置温箱的温度曲线；（3）将MEMS加速度计水平放置，采集x、y轴加速度数据，得出x轴y轴加速度计补偿后的输出；（4）将MEMS加速度计竖直放置，得到z轴加速度计温度补偿后的输出。本发明提供的MEMS加速度计温度补偿方法，对MEMS加速度计在温度变化时造成的误差具有良好的补偿效果。

Description

一种MEMS加速度计温度补偿方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种MEMS加速度计温度补偿方法。
背景技术
MEMS惯性导航系统在导航领域发挥着至关重要的角色，然而温度误差是MEMS加速度计的一个不可忽视的误差。现今在应用中，MEMS加速度计的温度补偿效果较差，补偿方案主要基于温度项作为因子的多项式拟合，在静态补偿效果较好，但是在天气较为恶劣的外场或室外，这种补偿方案效果较差。
下述为检索到的一些相近领域的对比文件，参见如下：
公开号为101750064A，专利名称为“一种提高捷联惯导温度误差补偿精度的方法及装置”，该专利是将测温元件安装在惯性元件附近，测温元件采集的温度信号作为多路采样信号中的一路送入数字信号处理器，数字信号处理器将接收到的温度信号暂存，当惯性元件信号采样结束后，数字信号处理器运行采用三次样条插值函数编写的误差补偿程序对捷联惯导上的三种速率标定状态误差和温度误差一并进行补偿计算。
公开号为CN105571590A，专利名称为“一种融合补偿方法”，该专利的补偿方法，直接计算得到补偿后的零位和标度因数。
公开号为CN106595710A，专利名称为“一种用于加速度计的系统级二次温度补偿方法”，该专利在加速度计进行初次温度补偿的基础上，针对冷态启动、快速导航的应用条件，对不同温度条件下惯性元器件冷态启动的零偏进行了测试。
公开号为CN108507568A，专利名称为“补偿温度漂移误差的方法、装置和组合导航系统”，该专利实施例提供的补偿温度漂移误差的方法，利用大量实际导航过程中产生的MEMS加速度计样本数据进行拟合获得的误差参数-温度关系曲线对MEMS加速度计的温度漂移误差进行在线补偿。
公开号为CN106871931A，专利名称为“一种闭环光纤陀螺温度补偿方法”，该专利闭环光纤陀螺温度补偿方法是利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对闭环光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。
公开号为CN108827294A，专利名称为“惯导系统的温度补偿方法”，该专利，该方法包含如下步骤：a、I/F变换电路板温度补偿；b、惯性器件温度补偿；c、在对I/F变换电路板和惯性器件温度补偿进行温度补偿中，根据各温度点下采集到的脉冲输出，建立各参数与温度的量化关系表格并写入存储器中，I/F变换电路板的数据处理器根据实时测量到的温度参照量化表格对参数进行在线补偿。
公开号为CN109141479A，专利名称为“一种系统级加速度计温度补偿方法”，该专利涉及一种系统级加速度计温度补偿方法，主要包括转位次序设定、加速度计标度因数误差和零位计算、温补模型计算。
上述几种方法有许多相似之处，即运用插值函数拟合温度与加速度计和加速度计输出之间的关系，通过建立多项式从而补偿掉加速度计的温度误差。然而上述方法存在很多不足：
公开号为CN106595710A，专利名称为“一种用于加速度计的系统级二次温度补偿方法”，该专利在加速度计进行初次温度补偿的基础上，针对冷态启动、快速导航的应用条件，对不同温度条件下惯性元器件冷态启动的零偏进行了测试，但是对零偏进行拟合的多项式仅为两阶，精度较差。
公开号为101750064A，专利名称为“一种提高捷联惯导温度误差补偿精度的方法及装置”，该专利采用三次样条插值函数编写的误差补偿程序对捷联惯导上的三种速率标定状态误差和温度误差一并进行补偿计算，在实际应用中由于未考虑温度变化率的关系，无法应对温度变化较快的环境，从实用价值角度看来该系统具有很大的局限。
公开号为CN108827294A，专利名称为“惯导系统的温度补偿方法”，该专利根据各温度点下采集到的脉冲输出，建立各参数与温度的量化关系表格并写入存储器中，I/F变换电路板的数据处理器根据实时测量到的温度参照量化表格对参数进行在线补偿，此方法在实际应用在恶劣的温度条件下元器件存在损坏可能性，在使用方面存在局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种MEMS加速度计温度补偿方法，对MEMS加速度计在温度变化时造成的误差具有良好的补偿效果。
本发明采用的技术方案为：本发明提供一种MEMS加速度计温度补偿方法，包括以下步骤：
(1)系统启动，导航计算机开启，MEMS加速度计以及温箱启动；
(2)设置温箱的温度曲线；
(3)将MEMS加速度计水平放置，采集x、y轴加速度数据，通过转接板由计算机采集并储存；
通过采集好的数据(含B0，T，
Figure BDA0002227091570000031
)代入多项式(1)中，通过最小二乘法拟合得到多项式各项系数(b01～b10)；
Figure BDA0002227091570000032
其中，B0为x轴加速度计零偏，T为温度，
Figure BDA0002227091570000041
为温度梯度，上述三个参数均由加速度计输出；
补偿模型为：M＝B0+B1a，其中M为x轴加速度计采样加速度，B1为x轴加速度计标度因数，a为x轴实际加速度；
从而x轴加速度计补偿后的加速度为y轴与x轴计算方法相同，从而得出x轴y轴加速度计补偿后的输出；
(4)将MEMS加速度计竖直放置，重复步骤(3)，从而得到z轴加速度计温度补偿后的输出。
本发明的另一方面提供一种MEMS加速度计温度补偿方法的系统，所述系统包括：MEMS加速度计、温箱、导航计算机、转接板以及接口；
MEMS加速度计，用以输出加速度数据；
温箱，用以控制温度；
导航计算机，用以将MEMS加速度计输出加速度的原始数据采集到计算机中，通过多项式拟合，得到温度补偿多项式；
转接板，用以连接MEMS加速度计与导航计算机的接口；
所述温箱搭载MEMS加速度计，所述MEMS加速度计通过接口与转接板连接，所述转接板通过接口与导航计算机连接。
本发明的又一方面提供一种MEMS加速度计温度补偿方法的算法，包括如下步骤：
a.利用最小二乘法进行MEMS加速度计零偏的多项式拟合；通过最小二乘法确定多项式系数，从而建立零偏与温度及温度梯度的关系；
b.计算MEMS加速度计实际输出；通过拟合好的多项式计算出零偏，从而计算出补偿后的实际加速度值。
本发明的有益效果在于：
1、本发明实施例提供一种MEMS加速度计温度补偿方法，本方法的多项式拟合方案采取五阶多项式拟合方法，并选取温度以及温度梯度作为多项式因子，对MEMS加速度计在温度变化时造成的误差具有良好的补偿效果。
2、本发明实施例采用的新型拟合五阶多项式，考虑了温度以及温度梯度作为变量，故在温度变化较大的环境中能够很好的补偿MEMS惯性传感器的温度误差，保证了MEMS加速度计的精确性。
3、本发明实施例未采用电路反馈信息等手段，系统工作时可靠性较高。本发明实施例采用了高低温箱进行数据采集，采集的温度数据精度较高。
4、本发明实施例的核心思想是使用多项式拟合进行MEMES加速度计的温度补偿，从而补偿掉MEMES加速度计的温度误差。当前还没有相关的专利和文献使用此种模型进行温度补偿。
5、本发明实施例多项式拟合的方案，对MEMS加速度计进行采样，通过采集到的数据带入到多项式中拟合得到加速度计零偏与温度的关系。从而对MEMS加速度计的温度误差进行补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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对本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种MEMS加速度计温度补偿方法流程图；
图2为本发明实施例中温箱温度曲线示意图；
图3为本发明实施例提供的一种MEMS加速度计温度补偿方法系统组成图；
图4为本发明实施例提供的一种MEMS加速度计温度补偿方法的算法组成图。
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，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，都属于本发明的保护范围。
基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)惯性传感器的MEMS惯性导航技术作为惯性导航技术的一个重要分支，具有成本低、体积小、低功耗以及抗冲击等优点。但是由于现今MEMS加速度计的温度补偿模型大多采用多项式拟合方法，而温度补偿模型建立时多项式因子大多是温度，造成在实际工程应用中，在较恶劣的环境中，温度变化较大时，温度补偿模型效果较差。
本发明实施例提供一种MEMS加速度计温度补偿方法，本实施例方法的多项式拟合方案采取五阶多项式拟合方法，并选取温度以及温度梯度作为多项式因子，对MEMS加速度计在温度变化时造成的误差具有良好的补偿效果。
本发明实施例补偿方法的流程图，如下图1所示，包括以下几个步骤：
(1)系统启动，导航计算机开启，MEMS加速度计以及温箱启动。
(2)设置温箱的温度曲线，本发明实施例设置温箱的温度曲线如图2所示。
(3)将MEMS加速度计水平放置，采集x、y轴加速度数据，通过转接板由导航计算机采集并储存。
通过采集好的数据(含B0，T，
Figure BDA0002227091570000074
)代入多项式(1)中，通过最小二乘法拟合得到多项式各项系数(b01-b10)，其多项式各项系数具体有：b01，b02,b03，b04,b05,b06,b07,b08,b09,b10。其多项式(1)如下：
其中，B0为x轴加速度计零偏，T为温度，为温度梯度，上述三个参数均由加速度计输出。
本发明实施例采用的补偿模型为：M＝B0+B1a，其中M为x轴加速度计采样加速度，B1为x轴加速度计标度因数(加速度计本身已知参数)，a为x轴实际加速度。
从而x轴加速度计补偿后的加速度为
Figure BDA0002227091570000073
y轴与x轴计算方法相同，从而得出x轴和y轴加速度计补偿后的输出。
(4)将MEMS加速度计竖直放置，重复步骤(3)，从而得到z轴加速度计温度补偿后的输出。
本发明另一实施例提供一种MEMS加速度计温度补偿方法的系统，其系统组成如下图3所示，各部件及主要功能如下：
MEMS加速度计：输出加速度数据。
温箱：控制温度，进行升降温。
导航计算机：将MEMS加速度计输出加速度的原始数据采集到导航计算机中，通过多项式拟合，得到温度补偿多项式。
转接板：用于连接MEMS加速度计与导航计算机的接口。
所述温箱搭载MEMS加速度计，所述MEMS加速度计通过接口与转接板连接，所述转接板通过接口与导航计算机连接。
本发明又一实施例提供一种MEMS加速度计温度补偿方法的算法，包括如下步骤：
a.利用最小二乘法进行MEMS加速度计零偏的多项式拟合。通过最小二乘法确定多项式系数，从而建立零偏与温度及温度梯度的关系。
b.计算MEMS加速度计实际输出。通过拟合好的多项式计算出零偏，从而计算出补偿后的实际加速度值。
本发明实施例还提供MEMS加速度计温度补偿方法算法的流程图，参见图4所示，包括如下步骤：
通过采集MEMS加速度计输出的加速度数据，储存在导航计算机中进行多项式拟合，通过拟合的加速度计零偏求出真实加速度计输出。
本发明实施例中，需要说明的是：
MEMS加速度计(Micro-INS，Micro-Inertial-Navigation System)，是一种基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)传感器技术的微型加速度计。
多项式拟合：用一个多项式展开去拟合包含所有观测点，得到观测数据的客观分析场。展开系数用最小二乘拟合确定。
温度补偿技术：在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取的一系列具体技术措施。
零偏：加速度计在无输入时的输出值，理论上为0，但是由于误差存在，其值不为0。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种MEMS加速度计温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统启动，导航计算机开启，MEMS加速度计以及温箱启动；
(2)设置温箱的温度曲线；
(3)将MEMS加速度计水平放置，采集x、y轴加速度数据，通过转接板由计算机采集并储存；
通过采集好的数据(含B0，T，)代入多项式(1)中，通过最小二乘法拟合得到多项式各项系数(b01～b10)；
Figure FDA0002227091560000012
其中，B0为x轴加速度计零偏，T为温度，
Figure FDA0002227091560000013
为温度梯度，上述三个参数均由加速度计输出；
补偿模型为：M＝B0+B1a，其中M为x轴加速度计采样加速度，B1为x轴加速度计标度因数，a为x轴实际加速度；
从而x轴加速度计补偿后的加速度为y轴与x轴计算方法相同，从而得出x轴y轴加速度计补偿后的输出；
(4)将MEMS加速度计竖直放置，重复步骤(3)，从而得到z轴加速度计温度补偿后的输出。
2.一种如权利要求1所述MEMS加速度计温度补偿方法的系统，其特征在于，所述系统包括：MEMS加速度计、温箱、导航计算机、转接板以及接口；
MEMS加速度计，用以输出加速度数据；
温箱，用以控制温度；
导航计算机，用以将MEMS加速度计输出加速度的原始数据采集到计算机中，通过多项式拟合，得到温度补偿多项式；
转接板，用以连接MEMS加速度计与导航计算机的接口；
所述温箱搭载MEMS加速度计，所述MEMS加速度计通过接口与转接板连接，所述转接板通过接口与导航计算机连接。
3.一种如权利要求1所述MEMS加速度计温度补偿方法的算法，其特征在于，包括如下步骤：
a.利用最小二乘法进行MEMS加速度计零偏的多项式拟合；通过最小二乘法确定多项式系数，从而建立零偏与温度及温度梯度的关系；
b.计算MEMS加速度计实际输出；通过拟合好的多项式计算出零偏，从而计算出补偿后的实际加速度值。
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