CN112179380A - 一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法 - Google Patents

一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法。当载体处于圆周运动或盘旋飞行运动状态的航向角在90°±Δφ和270°±Δφ范围内，倾斜角γ在0°±Δγ和180°±Δγ的范围内时，利用加速度计纵向分量解算俯仰角，利用该俯仰角和三轴磁传感器的输出在解算出载体倾斜角和航向角。再利用俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。该方法解决了载体长时间处于加速运动时，陀螺仪漂移误差大、系统精度低的问题。

Description

一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法
技术领域
本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种速率陀螺误差补偿方法。
背景技术
采用三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和三轴磁传感器组合测量载体的三维姿态是构成小型化航姿系统的重要技术。由于三轴MEMS陀螺仪精度低，导致航姿系统精度偏低。如何对三轴MEMS陀螺仪进行补偿校准提高其测量精度是本领域的关键技术。
中国专利CN 103411623 B“速率陀螺校准方法.”公开了一种速率陀螺标定方法。该方法将载体分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转，由磁传感器的输出数据变化计算载体的旋转角速率，分别校准速率陀螺的每个轴的标度因数和零偏误差。该方法无需速率转台，实现条件简单，适用于在线快速标定，但仅适用于静态标定，无法在载体存在额外加速度时对陀螺仪进行补偿。文献“基于ARM的航姿参考系统研究[D].上海交通大学,2010.”公开了一种载体额外加速度较小时，利用三轴MEMS加速度计和三轴磁传感器解算出的俯仰角、倾斜角和航向角信息对速率陀螺进行补偿的方法。但如果载体长时间处于非匀速直线运动状态(例如飞机长时间盘旋飞行)，速率陀螺得不到及时补偿将造成较大的测量误差。当采用三轴MEMS陀螺仪时，情况更为严重。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法。当载体处于圆周运动或盘旋飞行运动状态的航向角在90°±Δφ和270°±Δφ范围内，倾斜角γ在0°±Δγ和180°±Δγ的范围内时，利用加速度计纵向分量解算俯仰角，利用该俯仰角和三轴磁传感器的输出在解算出载体倾斜角和航向角。再利用俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。该方法解决了载体长时间处于加速运动时，陀螺仪漂移误差大、系统精度低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：当载体做匀速直线运动时，三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax0、Ay0、Az0；计算得到载体重力加速度为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000011
由Ax0、Ay0、Az0与俯仰角θ和倾斜角γ的关系式：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000021
能解算出载体做匀速直线运动时的俯仰角和倾斜角，再利用三轴磁传感器的输出与俯仰角、倾斜角和航向角的关系计算出载体做匀速直线运动时的航向角；
步骤2：当载体做非匀速直线运动时，计算俯仰角、倾斜角和航向角；
步骤2-1：三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax、 Ay、Az；计算得到载体合重力加速度为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000022
此时存在额外加速度ax、ay和az，Ax、Ay、Az与俯仰角θ、倾斜角γ和额外加速度 ax、ay和az的关系为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000023
步骤2-2：计算载体做非匀速直线运动时的俯仰角：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000024
步骤2-3：计算载体做非匀速直线运动时的航向角和倾斜角；
三轴磁传感器在xyz三轴的轴磁信号Hx、Hy、Hz与载体的俯仰角θ、倾斜角γ和航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000025
的关系为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000026
其中，h0为地磁场水平分量，hv＝hotanα，α为当地的地磁倾角；
求解式(6)得到：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000027
Figure RE-RE-GDA0002801093230000028
Figure RE-RE-GDA0002801093230000031
步骤2-4：利用上一时刻解算出的航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000032
和倾斜角γt-1做为判断条件，求解出当前时刻的航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000033
和倾斜角γ：
当
Figure RE-RE-GDA0002801093230000034
时，
Figure RE-RE-GDA0002801093230000035
当
Figure RE-RE-GDA0002801093230000036
时，
Figure RE-RE-GDA0002801093230000037
当0°<γt-1<90°时，γ＝γt-1；
当90°<γt-1<270°时,γ＝180°-γt-1；
当270°<γt-1<360°时，γ＝360°+γt-1；
步骤3：设定航向角校正精度
Figure RE-RE-GDA0002801093230000038
和倾斜角校正精度Δγ；当航向角在90°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000039
或270°
Figure RE-RE-GDA00028010932300000310
倾斜角γ在0°±Δγ或180°±Δγ内时，将步骤1和步骤2的计算结果分别带入求解姿态的算法中，替换三轴MEMS陀螺仪的输出值，以此矫正三轴MEMS 陀螺仪的漂移误差。
优选地，步骤3中所述的求解姿态的算法为四元数算法或欧拉角算法。
本发明的有益效果是：本发明中当载体存在额外加速度时，即长时间处于盘旋或平飞状态时，利用加速度计与磁传感器补偿陀螺仪的漂移误差，可以解决载体长时间处于加速运动时，陀螺仪漂移误差大、系统精度低的问题。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步说明。
步骤1：当载体做匀速直线运动时，三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax0、Ay0、Az0；计算得到载体重力加速度为：
Figure RE-RE-GDA00028010932300000311
由Ax0、Ay0、Az0与俯仰角θ和倾斜角γ的关系式：
Figure RE-RE-GDA00028010932300000312
能解算出载体做匀速直线运动时的俯仰角和倾斜角，再利用三轴磁传感器的输出与俯仰角、倾斜角和航向角的关系计算出载体做匀速直线运动时的航向角；
步骤2：当载体做非匀速直线运动时，计算俯仰角、倾斜角和航向角；
步骤2-1：三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax、 Ay、Az；计算得到载体合重力加速度为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000041
此时存在额外加速度ax、ay和az，Ax、Ay、Az与俯仰角θ、倾斜角γ和额外加速度 ax、ay和az的关系为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000042
步骤2-2：计算载体做非匀速直线运动时的俯仰角：
当载体存在额外加速度，即ax、ay和az不同时为零时，大多数情况下处于盘旋或者平飞状态，此时俯仰角θ较小，故而纵向额外加速度ay很小，认为纵轴方向加速度传感器测得的加速度Ay是因俯仰角不为零引起的，由此可解算出载体的俯仰角；
Figure RE-RE-GDA0002801093230000043
步骤2-3：计算载体做非匀速直线运动时的航向角和倾斜角；
三轴磁传感器在xyz三轴的轴磁信号Hx、Hy、Hz与载体的俯仰角θ、倾斜角γ和航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000044
的关系为：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000045
其中，h0为地磁场水平分量，hv＝hotanα，α为当地的地磁倾角；
求解式(6)得到：
Figure RE-RE-GDA0002801093230000046
Figure RE-RE-GDA0002801093230000047
Figure RE-RE-GDA0002801093230000048
步骤2-4：使用反正弦函数求解出的角度范围为
Figure RE-RE-GDA0002801093230000051
反余弦函数求解出的角度范围为[0，π]，利用上一时刻解算出的航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000052
和倾斜角γt-1做为判断条件，求解出当前时刻的航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000053
和倾斜角γ：
当
Figure RE-RE-GDA0002801093230000054
时，
Figure RE-RE-GDA0002801093230000055
当
Figure RE-RE-GDA0002801093230000056
时，
Figure RE-RE-GDA0002801093230000057
当0°<γt-1<90°时，γ＝γt-1；
当90°<γt-1<270°时,γ＝180°-γt-1；
当270°<γt-1<360°时，γ＝360°+γt-1；
步骤3：设定航向角校正精度
Figure RE-RE-GDA0002801093230000058
和倾斜角校正精度Δγ；当航向角在90°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000059
或270°
Figure RE-RE-GDA00028010932300000510
倾斜角γ在0°±Δγ或180°±Δγ内时，将步骤1和步骤2的计算结果分别带入求解姿态的算法中，替换三轴MEMS陀螺仪的输出值，以此矫正三轴MEMS 陀螺仪的漂移误差。
优选地，步骤3中所述的求解姿态的算法为四元数算法或欧拉角算法。
具体实施例：
在动态情况下，利用加速度计和磁传感器补偿速率陀螺。载体长时间处于非匀速直线运动状态通常是在做圆周运动，如飞机在盘旋飞行。这种情况下，载体纵轴方向的运动加速度可认为等于零，纵轴方向加速度传感器测得的加速度是因俯仰角不为零引起的，由此可解算出载体的俯仰角。利用此时的俯仰角值和磁传感器测得的磁信息解算出航向角和倾斜角。
分别选取不同的精度对陀螺仪进行补偿，具体见实施例1
Figure RE-RE-GDA00028010932300000511
和实施例2
Figure RE-RE-GDA00028010932300000512
实施例1：
1由三轴加速度计、三轴速率陀螺仪和三轴磁传感器构成航姿系统。
2在静止状态下，利用三轴加速度计的输出，计算出重力加速度g。
3对三轴加速度计的输出信号进行计算，判断载体的运动状态。当三轴加速度计计算出的载体合加速度不超过重力加速度的2％时，认为载体处于接近匀速直线运动，利用三轴加速度计解算载体的俯仰角和倾斜角，利用三轴磁传感器解算出航向角，再利用该俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。
4对三轴加速度计的输出信号进行计算，判断载体的运动状态。当三轴加速度计计算出的载体合加速度超过重力加速度的2％时，认为载体处于非匀速直线运动。
5在载体处于非匀速直线运动状态时，判断载体的航向和倾斜角值，当航向角在90°±30°，270°±30°，倾斜角在0°±30°，180°±30°范围内时，利用三轴加速度计测出的纵向加速度和重力加速度求出俯仰角；利用此俯仰角值与三轴磁传感器的输出信号解算载体的倾斜角和航向角；再利用俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。
实施例2：
本发明利用加速度计和磁传感器在动态情况下补偿陀螺仪的漂移误差。具体实施方法包括但不局限于以下步骤。
1由三轴加速度计、三轴速率陀螺仪和三轴磁传感器构成的航姿系统。
2在静止状态下，利用三轴加速度计的输出，计算出重力加速度g。
3对三轴加速度计的输出信号进行计算，判断载体的运动状态。当三轴加速度计计算出的载体合加速度误差不超过重力加速度的5％时，认为载体处于接近匀速直线运动，利用三轴加速度计解算载体的俯仰角和倾斜角，利用三轴磁传感器解算出航向角，再利用俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。
4对三轴加速度计的输出信号进行计算，判断载体的运动状态。当三轴加速度计计算出的载体合加速度误差超过重力加速度的5％时，认为载体处于非匀速直线运动。
5在载体处于非匀速直线运动状态时，判断载体的航向和倾斜角值，当航向角在90°±60°，270°±60°，倾斜角在0°±60°，180°±60°范围内时，利用三轴加速度计测出的纵向加速度和重力加速度求出俯仰角；利用此俯仰角值与三轴磁传感器的输出信号解算载体的倾斜角和航向角，再利用俯仰角、倾斜角和航向角对速率陀螺解算出的俯仰角、倾斜角和航向角进行补偿。
由于上一时刻解算出的姿态角存在误差，而正弦函数在90°和270°左右函数值对称相等，余弦函数在0°和180°左右函数值对称相等，容易造成计算误差。本方法适用于航向角
Figure RE-RE-GDA0002801093230000061
在90°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000062
和270°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000063
倾斜角γ在0°±Δγ和180°±Δγ的范围内。
Figure RE-RE-GDA0002801093230000064
和Δγ只要不接近90°就可以进行补偿。倾斜角一般小于60°可始终在0°±Δγ和180°±Δγ的范围内；载体做圆周运动时航向角在不断变化，每隔一段时间载体的航向角就能进入90°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000071
和270°
Figure RE-RE-GDA0002801093230000072
的范围内。这就保证了载体做圆周运动时每运动一周至少可以补偿两次。

Claims (2)

1.一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：当载体做匀速直线运动时，三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax0、Ay0、Az0；计算得到载体重力加速度为：
Figure FDA0002701940850000011
由Ax0、Ay0、Az0与俯仰角θ和倾斜角γ的关系式：
Figure FDA0002701940850000012
能解算出载体做匀速直线运动时的俯仰角和倾斜角，再利用三轴磁传感器的输出与俯仰角、倾斜角和航向角的关系计算出载体做匀速直线运动时的航向角；
步骤2：当载体做非匀速直线运动时，计算俯仰角、倾斜角和航向角；
步骤2-1：三轴MEMS加速度计测量到载体在xyz三轴的加速度值分别为：Ax、Ay、Az；计算得到载体合重力加速度为：
Figure FDA0002701940850000013
此时存在额外加速度ax、ay和az，Ax、Ay、Az与俯仰角θ、倾斜角γ和额外加速度ax、ay和az的关系为：
Figure FDA0002701940850000014
步骤2-2：计算载体做非匀速直线运动时的俯仰角：
Figure FDA0002701940850000015
步骤2-3：计算载体做非匀速直线运动时的航向角和倾斜角；
三轴磁传感器在xyz三轴的轴磁信号Hx、Hy、Hz与载体的俯仰角θ、倾斜角γ和航向角
Figure FDA0002701940850000016
的关系为：
Figure FDA0002701940850000017
其中，h0为地磁场水平分量，hv＝hotanα，α为当地的地磁倾角；
求解式(6)得到：
Figure FDA0002701940850000021
Figure FDA0002701940850000022
Figure FDA0002701940850000023
步骤2-4：利用上一时刻解算出的航向角
Figure FDA0002701940850000024
和倾斜角γt-1做为判断条件，求解出当前时刻的航向角
Figure FDA0002701940850000025
和倾斜角γ：
当
Figure FDA0002701940850000026
时，
Figure FDA0002701940850000027
当
Figure FDA0002701940850000028
时，
Figure FDA0002701940850000029
当0°<γt-1<90°时，γ＝γt-1；
当90°<γt-1<270°时,γ＝180°-γt-1；
当270°<γt-1<360°时，γ＝360°+γt-1；
步骤3：设定航向角校正精度
Figure FDA00027019408500000210
和倾斜角校正精度Δγ；当航向角在
Figure FDA00027019408500000211
或
Figure FDA00027019408500000212
倾斜角γ在0°±Δγ或180°±Δγ内时，将步骤1和步骤2的计算结果分别带入求解姿态的算法中，替换三轴MEMS陀螺仪的输出值，以此矫正三轴MEMS陀螺仪的漂移误差。
2.根据权利要求1所述的一种动态情况下速率陀螺误差补偿方法，其特征在于，步骤3中所述的求解姿态的算法为四元数算法或欧拉角算法。
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