CN111982101A - 一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，在全量程范围内对加速度计输出进行等间隔或非等间隔分段，测试加速度计在全量程范围内各段的标度因数，以满足实际需要的非线性的低输入加速度范围内的标度因数为基准，采用一阶函数关系拟合高加速度段每段的变化关系，实现MEMS加速度计的全量程内标度因数非线性补偿。该补偿方法的实验和计算简单，适用于工程应用。解决了基于建模和多项式拟合的标度因数非线性补偿方法的局限性。

Description

一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法

技术领域

本发明属于惯性传感器标定补偿技术领域，尤其涉及一种加速度计的非线性补偿方法。

背景技术

加速度计的标度因数非线性度是影响传感器测量精度的主要因素之一，针对非线性补偿的方法多种多样。专利《MEMS惯性传感器非线性度补偿方法》（申请号：201410578583.6）根据输入输出关系利用多项式拟合方法进行补偿，专利《一种传感器的非线性补偿方法》（申请号：201810515656.5）应用蝙蝠算法BA-SVM支持向量回归机建立非线性补偿模型进行补偿。论文《闭环微加速度计非线性补偿》，通过对伺服电路零位的偏差和寄生电容造成的结构非对称进行补偿，实现提高非线性的目的。按照现有的这些方法，对大量程加速度计取点较多，试验复杂，而且补偿效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，该补偿方法的实验和计算简单，适用于工程应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，在全量程范围内对加速度计输出进行等间隔或非等间隔分段，测试加速度计在全量程范围内各段的标度因数，以满足实际需要的非线性的低输入加速度范围内的标度因数为基准，采用一阶函数关系拟合高加速度段每段的变化关系，实现MEMS加速度计的全量程内标度因数非线性补偿。

进一步地，具体包括以下步骤：

测试设定范围内加速度计的偏置B_a0和标度因数K_1g，按等间隔Δ分为N段，各分段的加速度点分别为G₁、G₂、G₃、G₄、…、G_N+1；分别记录待补偿加速度计在以上各个加速度点的数值作为该点的实际输出值，分别记为G_k1、G_k2、G_k3、G_k4、…、G_{k N+1}；

利用前述设定范围内的偏置B_a0和标度因数K_1g，分别计算理想情况下加速度计在各点的拟合输出值，分别记为G_kk1、G_kk2、G_kk3、G_kk4、…、G_{kk N+1}：

G_kk1= B_a0+1×Δ×K_1g

G_kk2= B_a0+2×Δ×K_1g

G_kk3= B_a0+3×Δ×K_1g

G_kk4= B_a0+4×Δ×K_1g

…

G_{kk N+1}= B_a0+（N+1）×Δ×K_1g

加速度计待补偿的残差即为实际输出值与拟合输出值之差，分别记为Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，…，Δ_N+1：

Δ₁= G_k1- G_kk1

Δ₂= G_k2- G_kk2

Δ₃= G_k3- G_kk3

Δ₄= G_k4- G_kk4

…

Δ_N+1= G_{k N+1}- G_{kk N+1}

分段拟合出实际输出与残差之间的一阶函数，其斜率为k_i，截距为b_i，则各段的斜率和截距分别为：

k₁=(G_k1-G_K2)/ (Δ₁-Δ₂)

b₁=(Δ₂×G_K1-Δ₁×G_K2)/ (Δ₂-Δ₁)

k₂=(G_k2-G_K3)/ (Δ₂-Δ₃)

b₂=(Δ₃×G_K2-Δ₂×G_K3)/ (Δ₃-Δ₂)

k₃=(G_k3-G_K4)/ (Δ₃-Δ₄)

b₃=(Δ4×G_K3-Δ₃×G_K4)/ (Δ₄-Δ₃)

…

k_N=(G_kN-G_{K N+1})/ (Δ_N-Δ_N+1)

b_N=(Δ_N+1×G_KN-Δ_N×G_{K N+1})/ (Δ_N+1-Δ_N)

补偿前加速度的输出值记G_G，补偿后各段加速度计的输出值分别记为G_G1、G_G2、G_G3、…、G_GN，则各段的补偿函数分别为：

G_G1=k₁×G_G+b₁

G_G2=k₂×G_G+b₂

G_G3=k₃×G_G+b₃

…

G_GN=k_N×G_G+b_N。

进一步地，使用高精度分度台运用多位置法测试设定范围内的偏置B_a0和标度因数K_1g。

进一步地，使用精密离心机分段测试加速度标度因数。

进一步地，最后一个加速度点G_N+1的值大于加速度计的量程值。

进一步地，分别记录待补偿加速度计在以上各个加速度点的数值，并将每个点取设定时间长度的测试值均值作为该点的实际输出值，分别记为G_k1、G_k2、G_k3、G_k4、…、G_{k N+1}。

本发明所达到的有益效果：

本发明解决了在低输入加速度时线性度较好而高输入加速度时较差的大量程加速度计的补偿问题。采用对加速度计全量程标度因数先进行分段测试，然后进行插值拟合补偿的方法进行分段补偿，可以不用考虑零偏变化曲线不规则和难以实现建模和多项式拟合的问题；解决了基于建模和多项式拟合的标度因数非线性补偿方法的局限性。该补偿方法的实验和计算简单，适用于工程应用。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、基本原理

本发明专利的原理是全量程范围内对加速度输出等间隔或非等间隔分段，先精确测试加速度计全量程范围内各段的标度因数，以满足实际需要的非线性的低输入加速度范围内的标度因数为基准，用简单的一阶函数关系拟合高加速度段每段的变化关系，最终实现MEMS加速度计的全量程内标度因数非线性补偿。该方法根据实际需要，不对低输入加速度段补偿，仅对高加速度段进行补偿，可减轻补偿计算和软件设计的难度。

2、实现方法

以量程为G_SF的加速度计为例，说明本专利的实现方法。首先使用精密离心机分段测试加速度标度因数非线性，假设该加速度计仅在±1g范围内的标度因数非线性度满足使用要求，首先使用高精度分度台运用“多位置法”测试±1g范围内的偏置B_a0和标度因数K_1g，高输入加速度计段等间隔Δ（单位为g）的分为四段，各分段的加速度点分别为G₁、G₂、G₃、G₄、G₅，单位为g，其中G₅的值需大于量程G_SF值，如G_SF+1（单位为g）。分别记录待补偿加速度计在以上各个输入加速度点的数值，每个点取测试值1分钟，然后取均值作为该点的实际输出值，分别记为G_k1、G_k2、G_k3、G_k4、G_k5。

利用前述±1g的偏置B_a0和标度因数K_1g,及以下公式，分别计算理想情况下加速度计在各点的拟合输出值，分别记为G_kk1、G_kk2、G_kk3、G_kk4、G_kk5：

G_kk1= B_a0+Δ×K_1g

G_kk2= B_a0+2×Δ×K_1g

G_kk3= B_a0+3×Δ×K_1g

G_kk4= B_a0+4×Δ×K_1g

G_kk5= B_a0+5×Δ×K_1g

加速度计待补偿的残差即为实际输出值与拟合输出值之差，分别记为Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，Δ₅：

Δ₁= G_k1- G_kk1

Δ₂= G_k2- G_kk2

Δ₃= G_k3- G_kk3

Δ₄= G_k4- G_kk4

Δ₅= G_k5- G_kk5

分段拟合出实际输出与残差之间的一阶函数，其斜率为k_i，截距为b_i，则各段的斜率和截距分别为：

k₁=(G_k1-G_K2)/ (Δ₁-Δ₂)

b₁=(Δ₂×G_K1-Δ₁×G_K2)/ (Δ₂-Δ₁)

k₂=(G_k2-G_K3)/ (Δ₂-Δ₃)

b₂=(Δ₃×G_K2-Δ₂×G_K3)/ (Δ₃-Δ₂)

k₃=(G_k3-G_K4)/ (Δ₃-Δ₄)

b₃=(Δ4×G_K3-Δ₃×G_K4)/ (Δ₄-Δ₃)

k₄=(G_k4-G_K5)/ (Δ₄-Δ₅)

b₄=(Δ₅×G_K4-Δ₄×G_K5)/ (Δ₅-Δ₄)

补偿前加速度的输出值记G_G，补偿后各段加速度计的输出值分别记为G_G1、G_G2、G_G3、G_G4，则各段的补偿函数分别为：

G_G1=k₁×G_G+b₁

G_G2=k₂×G_G+b₂

G_G3=k₃×G_G+b₃

G_G4=k₄×G_G+b₄

采用上述的非线性度补偿方法，可以实现MEMS加速度计的全量程非线性补偿，如果减小分段的间距，使得分段更细，可以进一步提高全量程补偿的精度；如果增大分段的间距，则可以降低补偿算法软件的开销。本专利的补偿方法可以推广到其他传感器的全量程标度因数非线性补偿。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，在全量程范围内对加速度计输出进行等间隔或非等间隔分段，测试加速度计在全量程范围内各段的标度因数，以满足实际需要的非线性的低输入加速度范围内的标度因数为基准，采用一阶函数关系拟合高加速度段每段的变化关系，实现MEMS加速度计的全量程内标度因数非线性补偿。

2.根据权利要求1所述的一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，具体包括以下步骤：

测试设定范围内加速度计的偏置B_a0和标度因数K_1g，按等间隔Δ分为N段，各分段的加速度点分别为G₁、G₂、G₃、G₄、…、G_N+1；分别记录待补偿加速度计在以上各个加速度点的数值作为该点的实际输出值，分别记为G_k1、G_k2、G_k3、G_k4、…、G_{k N+1}；

利用前述设定范围内的偏置B_a0和标度因数K_1g，分别计算理想情况下加速度计在各点的拟合输出值，分别记为G_kk1、G_kk2、G_kk3、G_kk4、…、G_{kk N+1}：

G_kk1= B_a0+1×Δ×K_1g

G_kk2= B_a0+2×Δ×K_1g

G_kk3= B_a0+3×Δ×K_1g

G_kk4= B_a0+4×Δ×K_1g

…

G_{kk N+1}= B_a0+（N+1）×Δ×K_1g

加速度计待补偿的残差即为实际输出值与拟合输出值之差，分别记为Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，…，Δ_N+1：

Δ₁= G_k1- G_kk1

Δ₂= G_k2- G_kk2

Δ₃= G_k3- G_kk3

Δ₄= G_k4- G_kk4

…

Δ_N+1= G_{k N+1}- G_{kk N+1}

分段拟合出实际输出与残差之间的一阶函数，其斜率为k_i，截距为b_i，则各段的斜率和截距分别为：

k₁=(G_k1-G_K2)/ (Δ₁-Δ₂)

b₁=(Δ₂×G_K1-Δ₁×G_K2)/ (Δ₂-Δ₁)

k₂=(G_k2-G_K3)/ (Δ₂-Δ₃)

b₂=(Δ₃×G_K2-Δ₂×G_K3)/ (Δ₃-Δ₂)

k₃=(G_k3-G_K4)/ (Δ₃-Δ₄)

b₃=(Δ4×G_K3-Δ₃×G_K4)/ (Δ₄-Δ₃)

…

k_N=(G_kN-G_{K N+1})/ (Δ_N-Δ_N+1)

b_N=(Δ_N+1×G_KN-Δ_N×G_{K N+1})/ (Δ_N+1-Δ_N)

补偿前加速度的输出值记G_G，补偿后各段加速度计的输出值分别记为G_G1、G_G2、G_G3、…、G_GN，则各段的补偿函数分别为：

G_G1=k₁×G_G+b₁

G_G2=k₂×G_G+b₂

G_G3=k₃×G_G+b₃

…

G_GN=k_N×G_G+b_N。

3.根据权利要求1所述的一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，使用高精度分度台运用多位置法测试设定范围内的偏置B_a0和标度因数K_1g。

4.根据权利要求1所述的一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，使用精密离心机分段测试加速度标度因数。

5.根据权利要求1所述的一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，最后一个加速度点G_N+1的值大于加速度计的量程值。

6.根据权利要求1所述的一种大量程加速度计标度因数非线性补偿方法，其特征是，分别记录待补偿加速度计在以上各个加速度点的数值，并将每个点取设定时间长度的测试值均值作为该点的实际输出值，分别记为G_k1、G_k2、G_k3、G_k4、…、G_{k N+1}。