CN110940352B - 微机电系统惯性测量单元自动校准系统及其校准验证方法 - Google Patents

微机电系统惯性测量单元自动校准系统及其校准验证方法 Download PDF

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Abstract

公开了微机电系统惯性测量单元自动校准系统及其校准验证方法。该系统包括上位机，用于发出转台控制命令；数据采集系统，包括基于FPGA的最小系统电路，用于采集待校准的微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据，并将微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据实时发送给转台控制计算机；转台控制计算机，用于根据从数据采集系统获取的转台控制命令对转台进行控制；转台，待校准的微机电系统惯性测量单元，用于微机电系统惯性测试单元自动校准系统的校准目标；绝对编码器，用于获取转台的绝对角位置信息。该验证方法能够验证该校准系统的校准结果是否准确。其能够自动完成微机电系统内模件的标定任务，并能够提高校准效率。

Description

微机电系统惯性测量单元自动校准系统及其校准验证方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别是涉及一种微机电系统惯性测量单元自动校准系统及其校准验证方法。
背景技术
微机电系统惯性测量单元主要由惯性传感器，包括陀螺仪和加速度计组成。惯性传感器的测量精度和机械结构设计和装配过程中惯性测量单元的确定性误差在很大程度上决定了导航的精度。微机电系统惯性测量单元校准实验包括多位置静态校准和多速率动态校准。传统的微机电系统惯性测量单元校准需要工控机的手动操作来控制转台的运动，数据采集和存储也需要特殊的操作，整个过程繁琐费时，而且效率低。
发明内容
有鉴于此，一方面，本发明提供了一种微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其具有转台的自动控制、数据的自动采集与处理、校准报告的自动生成等功能。另一方面，本发明还提供了基于该微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法，其能够验证该校准系统的校准结果是否准确。其能够自动校准，并能够提高校准效率。从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的技术方案如下：
本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统包括：
上位机，用于发出转台控制命令；
数据采集系统，包括基于FPGA的最小系统电路，用于采集待校准的微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据，并将所述微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据实时发送给转台控制计算机；
转台控制计算机，用于根据从所述数据采集系统获取的转台控制命令对转台进行控制；
转台，待校准的微机电系统惯性测量单元，用于所述微机电系统惯性测试单元自动校准系统的校准目标；
绝对编码器，用于获取转台的绝对角位置信息。
本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述基于FPGA的最小外围电路包括由xilinx公司设计的xc3s400现场可编程门阵列及其外围电路。
作为优选，所述基于FPGA的最小外围电路包括：
RS422接口：用于发送ma时钟以及接收绝对编码器的slo位置数据和惯性导航系统的导航数据；
RS232接口：用于与所述转台控制计算机和上位机通信。
作为优选，所述时钟源为25MHz的晶体振荡器。
作为优选，所述微机电系统惯性测量单元自动校准系统的闪存芯片型号为XCF02S。
作为优选，所述上位机包括：
串行口通信模块，用于接收FPGA最小系统电路发送的惯性测量单元数据和biss数据，以及发送转台控制命令；
数据显示模块，用于实时显示微机电系统惯性测量单元的输出数据；
自动校准模块，用于设置与所述待校准的微机电系统惯性测量单元相对应的指令；
计算及结果输出模块，用于对测试数据进行综合计算，并将计算结果写入制定的文件。
作为优选，转胎的运动包括位置运动和速率运动，其中，
在所述位置运动过程中，所述转台在多个位置旋转，并在设定的位置保持静止；
在所述速率运动过程中，所述转胎一不同的角速率围绕旋转轴旋转，并在设定的角速率条件下保持稳定。
为了达到上述第二个目的，本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的技术方案如下：
本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法包括以下步骤：
采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；
将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到基于本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；
比较所述基于十二位测试和准方法的校准结果和本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确。
本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述校准结果涉及的参数包括陀螺的零漂、标度因子、安装误差系数，加速度计的零偏、标度因子以及安装误差系数。
作为优选，对采集的数据进行数据处理的方法具体为，
根据方程组(1)，通过最小二乘法，得到微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果：
Figure BDA0002266639820000041
其中，
u，v，w分别表示三个加速度计，
αxnαyn，βzn分别表示绕X轴转角、绕y轴转角和绕z轴转角，
Ru(αxn)，Rv(αxn)，Rw(αxn)分别表示u，v，w加速度计的输出相应，
Oux，Ovx，Owx分别表示u，v，w加速度计在x轴方向的零偏，
Ouy，Ovy，Owy分别表示u，v，w加速度计在y轴方向的零偏，
Ouz，Ovz，Owz分别表示u，v，w加速度计在z轴方向的零偏，
uy1，vy1，wy1分别表示u，v，w加速度计对应的标度因数。
应用本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法时，能够采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；然后，将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到基于本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；最后，比较基于十二位测试和准方法的校准结果和本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确。该微机电系统惯性测量单元具有转台的自动控制、数据的自动采集与处理、校准报告的自动生成等功能。该校准验证方法除能够对该该微机电系统惯性测量单元自动校准系统进行校准验证，因此，能够提高进行自动校准之后的微机电系统惯性测量单元的准确率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明实施例方案涉及的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的硬件组成拓扑图；
图2为本发明实施例方案涉及的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法的步骤流程图。
具体实施方式
本发明为解决现有技术存在的问题，提供微机电系统惯性测量单元自动校准系统，转台的自动控制、数据的自动采集与处理、校准报告的自动生成等功能。另一方面，本发明还提供了基于该微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法，其能够验证该校准系统的校准结果是否准确。其能够自动校准，并能够提高校准效率。从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
实施例一
参见附图1，本发明实施例一提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统包括：
上位机，用于发出转台控制命令；
数据采集系统，包括基于FPGA的最小系统电路，用于采集待校准的微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据，并将微机电系统惯性测试单元输出的数据和转台的反馈数据实时发送给转台控制计算机；
转台控制计算机，用于根据从数据采集系统获取的转台控制命令对转台进行控制；
转台，待校准的微机电系统惯性测量单元，用于微机电系统惯性测试单元自动校准系统的校准目标；
绝对编码器，用于获取转台的绝对角位置信息。
应用本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法时，能够采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；然后，将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到基于本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；最后，比较基于十二位测试和准方法的校准结果和本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确。该微机电系统惯性测量单元具有转台的自动控制、数据的自动采集与处理、校准报告的自动生成等功能。该校准验证方法除能够对该该微机电系统惯性测量单元自动校准系统进行校准验证，因此，能够提高进行自动校准之后的微机电系统惯性测量单元的准确率。
其中，基于FPGA的最小外围电路包括由xilinx公司设计的xc3s400现场可编程门阵列及其外围电路。
其中，基于FPGA的最小外围电路包括：
RS422接口：用于发送ma时钟以及接收绝对编码器的slo位置数据和惯性导航系统的导航数据；
RS232接口：用于与转台控制计算机和上位机通信。
其中，时钟源为25MHz的晶体振荡器。
其中，微机电系统惯性测量单元自动校准系统的闪存芯片型号为XCF02S。
其中，上位机包括：串行口通信模块，用于接收FPGA最小系统电路发送的惯性测量单元数据和biss数据，以及发送转台控制命令；数据显示模块，用于实时显示微机电系统惯性测量单元的输出数据；自动校准模块，用于设置与待校准的微机电系统惯性测量单元相对应的指令；计算及结果输出模块，用于对测试数据进行综合计算，并将计算结果写入制定的文件。在这种情况下，利用本实施例提供的你系统惯性测量单元进行了微机电系统内模件的校准实验。该系统能够自动完成微机电系统内模件的标定任务，大大提高了标定效率，满足标定要求，具有实用价值。
其中，转台的运动包括位置运动和速率运动，其中，在位置运动过程中，转台在多个位置旋转，并在设定的位置保持静止；在速率运动过程中，转台不同的角速率围绕旋转轴旋转，并在设定的角速率条件下保持稳定。
实施例二
参见附图2，本发明实施例二提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法包括以下步骤：
步骤S1：采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；
步骤S2：将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到基于本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；
步骤S3：比较基于十二位测试和准方法的校准结果和本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确。
应用本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法时，能够采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；然后，将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到基于本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；最后，比较基于十二位测试和准方法的校准结果和本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为本发明提供的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确。该微机电系统惯性测量单元具有转台的自动控制、数据的自动采集与处理、校准报告的自动生成等功能。该校准验证方法除能够对该该微机电系统惯性测量单元自动校准系统进行校准验证，因此，能够提高进行自动校准之后的微机电系统惯性测量单元的准确率。
其中，校准结果涉及的参数包括陀螺的零漂、标度因子、安装误差系数，加速度计的零偏、标度因子以及安装误差系数。
其中，对采集的数据进行数据处理的方法具体为，
根据方程组(1)，通过最小二乘法，得到微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果：
Figure BDA0002266639820000101
其中，
u，v，w分别表示三个加速度计，
αxnαyn，βzn分别表示绕X轴转角、绕y轴转角和绕z轴转角，
Ru(αxn)，Rv(αxn)，Rw(αxn)分别表示u，v，w加速度计的输出相应，
Oux，Ovx，Owx分别表示u，v，w加速度计在x轴方向的零偏，
Ouy，Ovy，Owy分别表示u，v，w加速度计在y轴方向的零偏，
Ouz，Ovz，Owz分别表示u，v，w加速度计在z轴方向的零偏，
uy1，vy1，wy1分别表示u，v，w加速度计对应的标度因数。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，包括：
上位机，用于发出转台控制命令；
数据采集系统，包括基于FPGA的最小系统电路，用于采集待校准的微机电系统惯性测量单元输出的数据和转台的反馈数据，并将所述微机电系统惯性测量单元输出的数据和转台的反馈数据实时发送给转台控制计算机；
转台控制计算机，用于根据从所述上位机获取的转台控制命令对转台进行控制；
转台，用于所述待校准微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准目标位置运动和速率运动；
绝对编码器，用于获取转台的绝对角位置信息，并作为微机电系统惯性测量单元的基准；
所述微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准验证方法包括以下步骤：
采用十二位测试和校准方法，进行机电系统内模件的自动校准实验，得到基于十二位测试和校准方法的校准结果；
将微机电系统惯性测量单元固定在转台的内轴线上，根据微机电系统惯性测量单元自动校准系统，通过调用LabVIEW中的Matlab脚本，对采集的数据进行处理，得到微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果；
比较所述基于十二位测试和校准方法的校准结果和所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果，若他们之间的差别在误差允许的范围内，则认为所述微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果准确；
对采集的数据进行数据处理的方法具体为，
根据方程组(1)，通过最小二乘法，得到微机电系统惯性测量单元自动校准系统的校准结果：
Figure FDA0003474863590000021
其中，
u，v，w分别表示三个加速度计，
αxn，αyn，βzn分别表示绕x轴转角、绕y轴转角和绕z轴转角，
Ru(αxn)，Rv(αxn)，Rw(αxn)分别表示u，v，w加速度计的输出响应，
Oux，Ovx，Owx分别表示u，v，w加速度计在x轴方向的零偏，
Ouy，Ovy，Owy分别表示u，v，w加速度计在y轴方向的零偏，
Ouz，Ovz，Owz分别表示u，v，w加速度计在z轴方向的零偏，
uy1，vy1，wy1分别表示u，v，w加速度计对应的标度因子。
2.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，所述基于FPGA的最小系统电路包括由xilinx公司设计的xc3s400现场可编程门阵列及其外围电路。
3.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，所述基于FPGA的最小系统电路包括：
RS422接口：用于发送ma时钟以及接收绝对编码器的slo位置数据和惯性导航系统的导航数据；
RS232接口：用于与所述转台控制计算机和上位机通信。
4.根据权利要求3所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，时钟源为25MHz的晶体振荡器。
5.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，所述微机电系统惯性测量单元自动校准系统的闪存芯片型号为XCF02S。
6.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，所述上位机包括：
串行口通信模块，用于接收FPGA最小系统电路发送的惯性测量单元数据和biss数据，以及发送转台控制命令；
数据显示模块，用于实时显示微机电系统惯性测量单元的输出数据；
自动校准模块，用于设置与所述待校准的微机电系统惯性测量单元相对应的指令；
计算及结果输出模块，用于对测试数据进行综合计算，并将计算结果写入制定的文件。
7.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，转台的运动包括位置运动和速率运动，其中，
在所述位置运动过程中，所述转台在多个位置旋转，并在设定的位置保持静止；
在所述速率运动过程中，所述转台以不同的角速率围绕旋转轴旋转，并在设定的角速率条件下保持稳定。
8.根据权利要求1所述的微机电系统惯性测量单元自动校准系统，其特征在于，所述校准结果涉及的参数包括陀螺仪的零漂、标度因子、安装误差系数，加速度计的零偏、标度因子以及安装误差系数。
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