CN111273058A

CN111273058A - 一种加速度计标定方法

Info

Publication number: CN111273058A
Application number: CN202010264315.2A
Authority: CN
Inventors: 吴勋; 夏云峰; 郑风雷; 涂智豪; 尹创荣; 张军香; 陈冠豪; 刘贯科; 王传旭; 叶钜芬; 叶容慧; 梁万龙; 张忠豪; 王锦堂; 王文汉; 宋华; 武璐; 陈文治
Original assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明实施例公开了一种加速度计标定方法，获取加速度计在三轴旋转台上的静态数学模型，并将加速度计被测轴上的重力加速度分量作为参数的输入；利用在静态数学模型位于三轴旋转台不同垂直平面的位置时加速度计被测轴的参数输出结果，由谐波系数法解算出静态数学模型的模型参数，获得标定的静态数学模型，解决加速度计在没有测量加速度计与转台安装偏差的光学器件以及没有北向测量的条件下加速度计标定问题，无需测量加速度计与转台的安装偏差，无需测量指北方向，使得加速度计标定模型的获取更加简单快捷。

Description

一种加速度计标定方法

技术领域

本发明实施例涉及加速度计标定技术领域，具体涉及一种加速度计标定方法。

背景技术

所谓传感器的标定，是指通过试验监理传感器输出与输入之间的关系并确定不同使用条件下的误差的过程，一般来说，对传感器进行标定时，必须以国家和地方计量部分的有关检定规程为依据，选择正确的标定条件和适当的仪器设备，按照一定的程序进行。

传感器标定的基本方法是将已知的被测量作为待标定传感器的输入，同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来，对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而获得一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而获得传感器性能指标的实测结果。

而通常在实验中，没有测量加速度计与转台安装偏差的光学器件以及没有北向测量条件下的条件下，则无法对加速度计进行标定。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种加速度计标定方法，解决在没有测量加速度计与转台安装偏差的光学器件以及没有北向测量条件下的加速度计标定的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种加速度计标定方法，包括如下步骤：

S100、获取加速度计在三轴旋转台上的静态数学模型，并将加速度计被测轴上的重力加速度分量作为参数的输入；

S200、利用在静态数学模型位于三轴旋转台不同垂直平面的位置时加速度计被测轴的参数输出结果，由谐波系数法解算出静态数学模型的模型参数，获得标定的静态数学模型。

作为本发明的一种优选方案，所述的加速度计被测轴具体包括X、Y和Z轴，并分别计算X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面内的模型参数。

作为本发明的一种优选方案，所述X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面的具体摆放情况有六种：

X轴位于垂直面内：

X、Y轴位于垂直面内和X、Z轴位于垂直面内；

Y轴位于垂直面内：

Y、X轴位于垂直面内和Y、Z轴位于垂直面内；

Z轴位于垂直面内：

Z、X轴位于垂直面内和Z、Y位于垂直面内。

作为本发明的一种优选方案，以X轴为例：

式中：A_x为实际输出的加速度值；a_x、a_y和a_z分别为X、Y和Z轴方向的加速度值分量；K_0x为零偏；K_1x为标度因数；K_2x为二次非线性系数；K_3x为三次的非线性系数；K_xy、K_xz分别为x轴与y轴和x轴与z轴间的交叉耦合系数；K_y、K_z分别为x轴相对x轴绕y轴和z轴的失准角；

当X、Y轴位于平面内，并加入加速度计在三轴平台上的安装误差角，加速度计被测轴上的重力加速度分量作为参数的输入的加速度为：

式中：θ为输入轴与水平面的夹角；θ₀为初始安装误差角；则A_x为：

作为本发明的一种优选方案，利用谐波系数法计算谐波系数与静态数学模型的方程系数之间的关系：

在忽略K_y项下，由

计算出所有的参数。

作为本发明的一种优选方案，在计算X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面内的模型参数，垂直面的圆周上均匀分布至少8个测试点，并通过转动至少3圈获取24个位置的加速度计被测轴的参数输出结果。

作为本发明的一种优选方案，在垂直面的圆周上均匀分布的测试点与三轴平台的水平轴的夹角为：

并同时提取加速度计被测轴在两个旋转的垂直平面上的平均值，记录对应角度。

作为本发明的一种优选方案，在获得静态数学模型位于三轴旋转台不同垂直平面的位置时加速度计被测轴的参数输出结果后，利用最小二乘法对输出结果数据进行处理。

作为本发明的一种优选方案，在以X轴为例的计算过程中，由于z轴朝上，所以在输出数据中应该减去z轴上重力加速度的输出，并将采集的数据中除x，y，z轴的输出以外的量除去。

作为本发明的一种优选方案，将加速度计安装在三轴转台上，并使得加速度计各个被测轴与三轴转台的坐标轴平行，并采集至少2分钟的垂直面的圆周上均匀分布的测试点的位置数据。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明由谐波系数法解算出静态数学模型的模型参数，获得标定的静态数学模型，解决加速度计在没有测量加速度计与转台安装偏差的光学器件以及没有北向测量的条件下加速度计标定问题，无需测量加速度计与转台的安装偏差，无需测量指北方向，使得加速度计标定模型的获取更加简单快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施方式中一种加速度计标定方法流程图；

图2为本发明实施方式中x，y轴位于垂直平面时的加速度输入示意图；

图3为本发明实施方式中加速度计X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面的具体摆放情况六种位置示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本发明提供了一种加速度计标定方法，包括加速度计建模与标定，具体包括

实验设备为三轴速率转台，没有测量加速度计与转台安装偏差的光学器件；没有北向，所以无法计算出地球自转对速率实验的影响。

于是，根据GJB719-89《单轴摆式伺服线加速度计通用规范》的加速度计测量模型，结合现有实验条件，忽略不可测因素以及该型号不需考虑的因素。

进一步由GJB719-89《单轴摆式伺服线加速度计通用规范》获取加速度计的静态数学模型。

以X轴为例：

为了标定上述模型系数，垂直平面内不同位置时，重力加速度在被测轴上的加速度分量作为参考的输入，采用多位置的方法标定模型中参数。

所述的加速度计被测轴具体包括X、Y和Z轴，并分别计算X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面内的模型参数。

如图2和图3所示，所述X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面的具体摆放情况有六种：

X轴位于垂直面内：

X、Y轴位于垂直面内和X、Z轴位于垂直面内；

Y轴位于垂直面内：

Y、X轴位于垂直面内和Y、Z轴位于垂直面内；

Z轴位于垂直面内：

Z、X轴位于垂直面内和Z、Y位于垂直面内。

被测轴x必须位于垂直平面内，而三轴加速度计使得x轴在垂直平面内的摆放情况有两类，即x、y轴位于垂直平面内和x、z轴位于垂直平面内。当x、y轴位于垂直平面内时，z轴位于水平面内且加速度值为0，此时与z轴相关的误差模型参数无法标定出。

所以，加速度计的标定方案中必须包括上述两类摆放情况，分别旋转至某几个位置，进行位置实验。

为了便于数据分析，对上式进行归一化处理，即加速度单位采用g。

式中：θ为输入轴与水平面的夹角；θ₀为初始安装误差角；若忽略二阶及其以上小量，则A_x为：

谐波系数法求解模型参数

为了利用不同垂直平面的位置时加速度计被测轴的输出，求解模型参数，可采用谐波系数法，简化求解上述方程。

首先将上式改写成：

A_x＝B₀+S₁ sinθ+C₁ cosθ+S₂ sin2θ+C₂ cos2θ+S₃ sin3θ

比较各次谐波系数与模型方程系数之间的关系为：

在忽略K_y项下，由

计算出所有的参数。

谐波系数一共有六个谐波系数，所以x，y轴在垂直平面内时和x，z轴在垂直平面内时分别至少有六个位置的测量才能标定出系数。由于标定实验一般都采用对称测量，以消除一些干扰因素的影响，所以确定每个垂直平面使用八位置法标定参数。

为了标定出加速度计静态模型，必须在以上方程中选择忽略一项。K_1x不是小量，不能忽略；实验的安装偏差可能会较大，无法达到角秒级，安装偏差不能忽略。K_y是小量，选择忽略K_y，于是可以解出其他参数。当x，z轴位于垂直平面内时，同理可以解出K_xz，则模型中所有参数即可确定。

图3中1和6，2和3，4和5分别是相同的旋转平面，所以在实际实验中，为了降低实验成本，一共需要旋转3圈即可，每圈8个实验位置，一共24位置。

所以，三轴加速度计标定方法为采用24位置法，即可得出加速度计的模型系数。

虽然在同一旋转平面上，但是不同的轴，对应不同的角度输入。数据分析时，需要同时提取在旋转平面上的两个轴平均值，并记录对应角度。

加速度计标定步骤：

①安装：将加速度计安装在三轴转台上。使得加速度计各个坐标轴平行，X轴——内环轴，Y轴——中环轴，Z轴——外环轴；

②调平：X、Y轴在水平面上，Z轴垂直指天；

③上电、稳定：连接好数据线，板卡，电池，将产品稳定三分钟后，开始实验；

④采集此位置数据2分钟，x，y，z轴的输出，此处是测试的x，y轴。加速度计模型参数系数解算。

由于无离心机设备条件，加速度计标定过程中，忽略动态模型的影响，只标定静态参数，采用最小二乘法对输出数据进行处理。

最小二乘法是求得模型参数的一类方法，它是以模型与样本数据的误差的平方和最小为标准。

解算结果是所有测量值的共同作用，并且保证了结果的一致性。

根据模型方程可以解算出各参数，得到加速度计三轴测量模型。

本发明还提供了一种标定结果分析测试方法：

将产品安装在三轴转台上，z轴朝上放置在调平的平台上，连接好采集PC。打开直流稳压电源，待产品稳定后，开始记录产品的输出数据，记录时间为2小时。

数据预处理：由于z轴朝上，所以在输出数据中应该减去z轴上重力加速度的输出，并将采集的数据中除x，y，z轴的输出以外的量除去。零偏稳定性的计算，实为计算输出数据的标准偏差。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种加速度计标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，所述的加速度计被测轴具体包括X、Y和Z轴，并分别计算X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面内的模型参数。

3.根据权利要求2所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，所述X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面的具体摆放情况有六种：

X轴位于垂直面内：

X、Y轴位于垂直面内和X、Z轴位于垂直面内；

Y轴位于垂直面内：

Y、X轴位于垂直面内和Y、Z轴位于垂直面内；

Z轴位于垂直面内：

Z、X轴位于垂直面内和Z、Y位于垂直面内。

4.根据权利要求3所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，

式中：θ为输入轴与水平面的夹角；θ₀为初始安装误差角；

则A_x为：

5.根据权利要求4所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，利用谐波系数法计算谐波系数与静态数学模型的方程系数之间的关系：

在忽略K_y项下，由

计算出所有的参数。

6.根据权利要求2或5所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，在计算X、Y和Z轴分别位于垂直于三轴旋转平台的垂直面内的模型参数，垂直面的圆周上均匀分布至少8个测试点，并通过转动至少3圈获取24个位置的加速度计被测轴的参数输出结果。

7.根据权利要求1所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，在垂直面的圆周上均匀分布的测试点与三轴平台的水平轴的夹角为：

8.根据权利要求2所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，在获得静态数学模型位于三轴旋转台不同垂直平面的位置时加速度计被测轴的参数输出结果后，利用最小二乘法对输出结果数据进行处理。

9.根据权利要求6所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，在以X轴为例的计算过程中，由于z轴朝上，所以在输出数据中应该减去z轴上重力加速度的输出，并将采集的数据中除x，y，z轴的输出以外的量除去。

10.根据权利要求6所述的一种加速度计标定方法，其特征在于，将加速度计安装在三轴转台上，并使得加速度计各个被测轴与三轴转台的坐标轴平行，并采集至少2分钟的垂直面的圆周上均匀分布的测试点的位置数据。