CN110987008B - 一种低精度mems陀螺组合零位偏置快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS陀螺零偏标定技术，为解决低精度MEMS陀螺零偏普遍存在零偏随时间漂移，需要定期对零偏进行标定并加以补偿；采用传统的“六位置法”、“十二位置法”或“二十四位置法”标定时工序复杂，耗费时间较长；MEMS陀螺易受外界及器件内部高频噪声的影响，造成标定误差过大的技术问题，本发明公开了一种针对精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其步骤是：通过计算，确定陀螺组合零偏标定所需位置数仅为3个；采用相邻位置绕轴翻转180°的方法，采集MEMS陀螺三位置下的输出数据；采用低通数字滤波器滤除高频噪声干扰后求得陀螺零偏。本发明利用低通数字滤波器滤除高频噪声，滤波参数调整灵活，可根据不同工况进行设计。

Description

一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法

技术领域

本发明涉及低精度MEMS陀螺组合零位偏置的快速标定方法，属于控制技术领域。

背景技术

MEMS陀螺组合是各类低成本飞行器的常用惯性测量元件，其主要功能是实时测量沿敏感轴输入的角速度分量，并定时向外发送数据，一般由三个正交的角速度传感器、误差补偿计算机、电源电路、接口电路、本体组件等几部分组成。目前低精度MEMS陀螺普遍存在零偏随时间漂移的现象，尤其是经过长期贮存后，陀螺零偏可能会超出指标要求，影响系统使用，因此需要定期对产品零偏进行标定并加以补偿。

常规的标定方法多采用“六位置法”、“十二位置法”或“二十四位置法”，标定时工序复杂，耗费时间较长。同时，在对陀螺数据进行处理时多采用简单计算输出均值的计算方法，其计算结果易受到外界及器件内部的高频噪声的影响，造成标定误差过大。

随着飞行器航程、飞行速度、机动性能的不断提高，对MEMS陀螺的性能提出了越来越高的要求，为满足系统使用需要定期对MEMS陀螺组合的零偏进行标定维护，本发明提出了一种快速标定方法，并且通过设计专用滤波器消除高频噪声的干扰，提高标定的精度。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的是低精度MEMS陀螺组合快速标定及标定结果易受高频噪声干扰的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的，一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，适合于采用MEMS陀螺组合且需要对陀螺零偏进行快速修正的各类应用，特别是批量研制生产的低成本小型化战术导弹上应用的惯性测量组合，包括如下步骤：

1、确定陀螺零偏标定时所需位置的最少个数，减少标定时间

通过计算，将MEMS陀螺组合零偏标定时所需摆放位置数减至最少的3个，缩短标定时间。

2、采用相邻位置绕轴翻转180°的方法，无需确定初始方位

将MEMS陀螺组合安装于标定工装内，并放置于双轴转台台面，分别将转台外轴与内轴旋转180°，即可得到所需的三个位置。

3、采用低通数字滤波器滤除高频噪声分量

通过一个IIR低通滤波器对陀螺输出数据进行后处理，滤除高频噪声干扰。

进一步，所述的步骤1)中，通过计算分析，只需将MEMS陀螺组合摆放三个位置，即可得到三轴分别处于正负指向下陀螺输出的六组数据，具备陀螺零偏标定最小条件。

本发明方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：

采用“三位置法”进行陀螺零偏标定，相比传统的“六位置法”、“十二位置法”，或“二十四位置法”，过程简洁，耗时少，；利用低通数字滤波器消除高频噪声，并且滤波器的参数调整灵活，可根据不同工况进行专门设计。

附图说明

以下将结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例的三位置法示意图；

图2是本发明实施例的所设计的滤波器频率特性图；

图3是采用本发明实施例的滤波器前、后对比图。

具体实施方式

一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其步骤是：

1、通过计算确定陀螺零偏标定时所需最少位置数

对于低精度MEMS陀螺，其零偏为主要误差项，忽略其他误差因素，当某个轴与地球自转轴夹角为α时，此轴的陀螺输出如下：

R_α＝w_e cosα+D (1)

式中：

w_e为地球自转速率；

D为陀螺零偏。

当此轴被翻转180°后，陀螺输出如下：

R_α+180＝w_e cos(α+180°)+D＝-w_e cosα+D (2)

则该轴对应陀螺的零偏如下：

由于MEMS陀螺组合的三个轴呈正交关系，其中两个轴翻转时第三个轴的指向不变，因此还需要第三个位置将第三个轴进行翻转，此时已达到将三个轴向陀螺零偏全部求出的最少条件。

2、采用相邻位置绕轴翻转180°的方法实现三位置

整个翻转过程如图1所示，首先将MEMS陀螺组合及标定工装固定在双轴转台台面上，使得第1轴(为X轴、Y轴、Z轴中任意一轴)与转台内轴平行，且第2轴(为X轴、Y轴、Z轴中除第1轴剩下两轴中任意一轴)与转台外轴平行，此时即为位置1并采集第1轴陀螺输出数据记为R₁₊、第2轴陀螺输出数据记为R₂₊、第3轴陀螺输出数据记为R₃₊；绕转台外轴(第2轴)旋转180°，此时为位置2并采集第1轴陀螺输出数据记为R_1-、第3轴陀螺输出数据记为R_3-；绕转台内轴(第1轴)旋转180°，此时为位置3并采集第3轴陀螺输出数据记为R_2-。

3、采用低通数字滤波器滤除高频噪声分量

采用如下的三阶IIR低通滤波器对三位置下所采集数据进行数字滤波，滤波器传递函数如下：

式中：

A₀、A₁、A₂、A₃、B₀、B₁、B₂、B₃为滤波器系数，选取A₀＝1.0、A₁＝-2.6862、A₂＝2.4197、A₃＝-0.7302、B₀＝0.0004、B₁＝0.0012、B₂＝0.0012、B₃＝0.0004；

采样频率即MEMS陀螺输出频率选择为400Hz；

通带边界频率选择为10Hz。

本发明采用的滤波器幅频特性如图2所示，针对所采集的陀螺输出数据进行滤波前、后的对比如图3所示。

最后利用下式则可计算出三个轴的陀螺零偏：

式中：

W₁₊、W_1-、W₂₊、W_2-、W₃₊、W_3-分别为R₁₊、R_1-、R₂₊、R_2-、R₃₊、R_3-经过滤波器后的平均值；

D₁、D₂、D₃分别为所对应的X轴、Y轴、Z轴陀螺零偏。

Claims (4)

1.一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)确定陀螺零偏标定时所需位置的最少个数，减少标定时间；

通过计算，将MEMS陀螺组合零偏标定时所需摆放位置数减少至3个，缩短标定时间；

步骤2)采用相邻位置绕轴翻转180°的方法，无需确定初始方位；

将MEMS陀螺组合安装于标定工装内，并放置于双轴转台台面，分别将转台外轴与内轴旋转180°，即可得到所需的三个位置；

步骤3)采用低通数字滤波器滤除高频噪声分量；

通过一个IIR低通滤波器对陀螺输出数据进行后处理，滤除高频噪声干扰，

所述的步骤2)中将MEMS及标定工装固定在转台台面，使得MEMS陀螺组合的第1轴与转台内轴平行，同时第2轴与转台外轴平行，记为位置1并采集采集第1轴陀螺输出数据记为R₁₊、第2轴陀螺输出数据记为R₂₊、第3轴陀螺输出数据记为R₃₊；绕转台外轴第2轴旋转180°，记为位置2并采集第1轴陀螺输出数据记为R_1-、第3轴陀螺输出数据记为R_3-；绕转台内轴第1轴旋转180°，记为位置3并采集第2轴陀螺输出数据记为R_2-，

最后所述的步骤3)中利用下式计算出三个轴的陀螺零偏：

式中：

W₁₊、W_1-、W₂₊、W_2-、W₃₊、W_3-分别为R₁₊、R_1-、R₂₊、R_2-、R₃₊、R_3-经过滤波器后的平均值；

D₁、D₂、D₃分别为所对应的X轴、Y轴、Z轴陀螺零偏。

2.根据权利要求1所述的一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其特征在于：所述的步骤1)中，通过计算分析，只需将MEMS陀螺组合摆放三个位置，即可得到三轴分别处于正负指向下陀螺输出的六组数据，具备陀螺零偏标定最小条件。

3.根据权利要求1所述的一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其特征在于：所述第1轴为X轴、Y轴、Z轴中任意一轴，所述第2轴为剩下两轴中任意一轴。

4.根据权利要求1所述的一种低精度MEMS陀螺组合零位偏置快速标定方法，其特征在于：所述的步骤3)中，采用IIR低通滤波器进行数字滤波，滤波器系统传递函数如下：

式中：

A₀、A₁、A₂、A₃、B₀、B₁、B₂、B₃为滤波器系数，选取A₀＝1.0、A₁＝-2.6862、A₂＝2.4197、A₃＝-0.7302、B₀＝0.0004、B₁＝0.0012、

B₂＝0.0012、B₃＝0.0004。