CN111189474A - 基于mems的marg传感器的自主校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，包括三步校准，首先对于三轴加速度计的误差校正，先应用椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量；接着：对于三轴磁强计的误差校准，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，对磁强计进行校正；最后，对于三轴陀螺仪的误差标定，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。本发明提供的校准方法对于低精度的MEMS传感器的性能提升尤为显著，并且具有低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航系统技术领域，尤其涉及基于MEMS传感器的自主校准方法。
背景技术
惯性导航系统是完备的三维航位推算导航系统，可以自主的输出三维导航信息。惯性传感器包括加速度计和陀螺仪。惯性测量单元(IMU)是惯性导航系统中的传感部件，是一组惯性传感器，包含多个加速度计和多个陀螺仪，通常是3个陀螺仪和3个加速度计，以实现三维的比力和角速率的测量。关于惯性传感器的技术，不管是采用同一门技术设计，还是依据各自不同的原理开发，各种惯性传感器在体积、重量、性能和成本等方面都存在几个数量级的差别。一般来讲，惯性传感器的精度越高，相应的体积、重量越大，成本也越高。
目前，惯性传感器的发展方向主要集中于微机电系统(MEMS)，基于MEMS技术的惯性传感器是惯性器件中的一个新兴种类。商品化的MEMS器件直到20世纪90年代才出现，但由于器件可直接在硅片表面加工而成，不仅体积与重量极其微小，而且十分便于大批量生产，从而在成本上具有无可比拟的优势。另外，相比于传统的机械式设计和光学设计，MEMS传感器表现出非常优良的抗冲击性能。然而，目前大多数的MEMS传感器精度相对比较低。因此，传感器非常适合于低成本、低精度应用场合，例如消费类电子产品、微型无人飞行器、人体运动姿态测量、微型卫星等。
在导航系统技术中为了能获取载体的三轴姿态，即载体的三个欧拉角(航向角、俯仰角、横滚角)数据，系统内部需要包含多种沿三个正交轴向安装的(或称作三轴捷联式的)传感器，而MARG传感器组合就是其中的一种典型配置。基于MEMS的三轴磁强计，三轴加速度计和三轴陀螺仪这三种传感器的组合(即MARG传感器)，提供了一种可用于测量载体姿态以及导航定位便捷可靠的手段。
基于MARG传感器的相关产品虽然已经面世并得到了广泛的使用，但是仍然有若干问题值得深入研究和探讨。首先就是传感器的误差校正与补偿问题。如前所述，MEMS传感器精度较低，尤其是面向低成本应用的MEMS器件，其包含的各类误差对姿态测量精度影响甚大。另一方面，由于地磁场的磁感应强度较弱，因而磁强计容易受到其他磁场的干扰，尤其是来自载体的磁场干扰。为此，MARG传感器组合在使用前必须进行误差校正与补偿。此外，对于面向低成本的应用，其采用的误差校正方法必须同样适应低成本的特点，而其补偿效果又需满足实际应用的要求。故而，针对低成本的MARG传感器组合，需要寻找简捷而有效的误差校正与补偿方法，其对操作者和设备的要求应尽可能低，其校正效果应从原理上而非通过应用场合的人力物力投入予以保证。一般情况下，对传感器误差的校正和补偿处理，可以明显改变其性能，这一点对于MEMS传感器尤其显著。同时，MEMS传感器出现后，其低成本的特点促使研究者们一直在寻找更简捷的校正方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于MEMS传感器的MARG传感器的自主校准方法，特别是在无外部设备辅助条件下的校正方法。通过降低对校准所需的外部设备条件的要求以减少投入成本，使得该传感器更好的面向低成本的应用场合并且发挥出最佳的性能。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，通过三步辅助校准的方法，分为以下三个步骤：
第一步校准：对于三轴加速度计的误差校正，先应用相关理论及方法研究较成熟的椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量；
第二步校准：对于三轴磁强计的误差校准，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，对磁强计进行校正。
第三步校准：对于三轴陀螺仪的误差标定，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。
通过以上三个步骤进行的三步校准方法取得了不错的效果，可以较好的补偿和校正MARG传感器的误差。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：针对MARG传感器的误差校正和补偿问题，提出的三步辅助校准方法以三种传感器的单一校准所需的辅助条件为切入点有机的结合了椭球拟合法和点积不变法以及叉积标定法，一方面弥补了单一校准方法所需辅助条件的欠缺性以及所存在的固有缺陷，另一方面，三步辅助校准方法也从根本上改变的校正的效果，实现了在无外部设备辅助条件下的MARG传感器的自主校准。另外，三步辅助校准方法中用到的相关的单一校准方法的理论研究已相对比较成熟，在应用上有很强的认可性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
图1所示为本发明实施例提供的基于MEMS的MARG传感器的三步辅助校准方法的流程示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的基于MEMS的MARG传感器的三步辅助校准方法，包括应用椭球拟合法对三轴加速度计进行校准，应用点积不变法对三轴磁强计进行校准以及应用叉积标定法对三轴陀螺仪进行校准。具体来说，本发明实施例提供的基于MEMS的MARG传感器的三步辅助校准方法包括如下步骤：
第一步，先应用相关理论及方法研究较成熟的椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量。
其中，对于三轴加速度计的误差校正，采用椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量。
第二步，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，对磁强计进行校正。
其中，对于三轴磁强计的误差校准，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，从而使得点积不变法与椭球拟合法相互配合对磁强计进行校正。
第三步，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。
其中，对于三轴陀螺仪的误差标定，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。
本发明实施例中，使用叉积标定法与点积不变法和椭球拟合法实现全自动误差校正与补偿。
本发明通过以上三个步骤进行的三步校准方法可以较好的补偿和校正MARG传感器的误差。与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：针对MARG传感器的误差校正和补偿问题，提出的三步辅助校准方法以三种传感器的单一校准所需的辅助条件为切入点有机的结合了椭球拟合法和点积不变法以及叉积标定法，一方面弥补了单一校准方法所需辅助条件的欠缺性以及所存在的固有缺陷，另一方面，三步辅助校准方法也从根本上改变的校正的效果，实现了在无外部设备辅助条件下的MARG传感器的自主校准。另外，三步辅助校准方法中用到的相关的单一校准方法的理论研究已相对比较成熟，在应用上有很强的认可性和实用性。
具体实施过程中，先利用matlab编程根据误差校准方法和误差模型应用最常用的最小二乘拟合法计算出各项误差参数，然后采集传感器未校正的原始测量数据，进行matlab数据实验仿真，验证实验结果的可靠性，然后编程实现算法并下载到基于MPU9250的硬件系统中进行实物验证，最后对经过校准的传感器测量数据做评估对比。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，其特征在于，通过三步辅助校准的方法，包括：
第一步，先应用相关理论及方法研究较成熟的椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量；
第二步，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，对磁强计进行校正；
第三步，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，其特征在于，对于三轴加速度计的误差校正，采用椭球拟合法对加速度计进行误差校正，得到加速度计在经过校正之后提供的重力矢量。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，其特征在于，对于三轴磁强计的误差校准，以第一步校准得到的加速度计提供的重力矢量作为点积不变法的辅助矢量，从而使得点积不变法与椭球拟合法相互配合对磁强计进行校正。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，其特征在于，对于三轴陀螺仪的误差标定，利用前面经过校准后的三轴矢量场的测量值作为内部参考基准，用叉积标定法对陀螺仪进行标定。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS的MARG传感器的自主校准方法，其特征在于，使用叉积标定法与点积不变法和椭球拟合法实现全自动误差校正与补偿。
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