CN112577514A - 一种mems惯性器件的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS惯性器件的标定方法，其目的是为提高MEMS惯性器件测量的精度，消除系统误差。本发明利用HDNT软件，采用速率标定法进行标定。将姿态测量系统固定安装在角速率转台上，给定一个固定的转台速率值，测量MEMS惯性器件的输出值。再利用角速率转台对惯性器件误差模型中的各项误差参数进行标定。

Description

一种MEMS惯性器件的标定方法

技术领域

本发明涉及一种标定方法，特别是涉及一种MEMS惯性器件的标定方法。

背景技术

随着定位导航技术的发展，越来越多的用户将MEMS惯性导航应用于定位、定姿导航工程研究中。实际应用中，可通过MEMS惯性器件获取载体实时位置、姿态和速度信息。由于MEMS惯性器件每个坐标轴均含有一个加速度计、一个陀螺仪，使用惯性器件三个轴向信息均可获得。但惯性器件性能受生产技术、构成材料与使用环境等因素的影响，造成MEMS惯性器件输出信噪比低、降低系统导航定位精度等。但微机电技术(MEMS)惯性组件具有体积小、功耗低、成本低、可靠性好等优点。由于MEMS惯性器件的工作机理及加工工艺的特殊性，与传统的惯性器件有所不同，因此以保障微惯性器件的精度而采取的标定方案尤为重要，也成为当前惯性导航技术的热点研究问题。

目前，国内外对MEMS惯性器件的标定方法都有所研究。国内多所高校也展开了相关的研究，例如，西北工业大学的任建新、杜亚宁等人研究出了一种实用的MEMS惯性器件外场标定方法，但在不具备高精度实验室标定设备的情况下不能进行精确地标定；南京航空航天大学导航研究中心的胡倩倩、曾庆化等人研究出一种数据融合车载捷联惯导系统在线标定的方法，利用惯性/卫星的速度、位置、姿态全组合观测量的方法，采用开环滤波对惯性器件进行系统级的估计和补偿，从而改善了在没有精密转台等辅助仪器环境下，长时间放置车载惯导标定的问题；哈尔滨工业大学的常佳冲、张亚等人在2017年公开了一种基于Kalman滤波的系统级标定方法，利用Kalman滤波对惯性器件的参数进行实时地在线标定。此外，国内有许多企业单位在研究惯性器件标定方法方面发表过相关专利，例如，深圳的飞马机器人科技有限公司在2015年公开了一种惯性器件的精度测量标定方法。该发明通过在陀螺仪标定前配置陀螺仪内部旋转轴，利用坐标变换及向量分解等方法对实验数据进行处理，得到最终的标定结果。同时，使用陀螺仪搭配姿态解算模块，一起对角度姿态进行标定，且避免了标定过程中姿态解算发散，从而获得正确的结果。

从惯性器件应用于导航定位实践至今，MEMS惯性器件的研究内容已发生翻天覆地的变化。早在20世纪80年代，MEMS陀螺仪的研究已进入国外研究机构的视线，其中包括美国Draper实验室、ADI公司、德国Daimler公司、Berkeley大学传感器中心等在内已开展相关的研究工作。与MEMS陀螺仪相比，20世纪90年代，国外就已有低精度MEMS加速度计产品，自MEMS技术兴起，MEMS加速度计也有质的飞跃。

本发明利用HDNT软件，采用速率标定法进行标定。将姿态测量系统固定安装在角速率转台上，给定一个固定的转台速率值，测量MEMS惯性器件的输出值。再利用角速率转台对惯性器件误差模型中的比例系数、温度、交叉耦合误差进行误差补偿和标定。

发明内容

本发明公开了一种MEMS惯性器件的标定方法，其目的是为了提高MEMS惯性器件测量的精度以及信噪比。从而削弱在使用过程中生产的误差。

本发明采用的方法是：

通过HDNT软件，采用速率标定法进行标定。将姿态测量系统固定安装在角速率转台上，给定一个固定的转台速率值，测量MEMS惯性器件的输出值。再利用角速率转台对惯性器件误差模型中的各项误差参数进行标定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种MEMS惯性器件的标定方法。与传统的标定方法相比不仅是针对加速度计和陀螺仪在相应量程范围内进行标定，增加了测量的范围。

2)本发明提供了一种MEMS惯性器件的标定方法，可以用于MIMU的标定。

附图说明

图1陀螺仪原始数据显示。

图2陀螺仪温度数据采集曲线。

图3陀螺仪比例系数以及交叉耦合数据采集曲线。

图4加速度计比例系数以及交叉耦合数据采集曲线。

图5标定流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种MEMS惯性器件的标定方法，经过标定实验即可获得MEMS惯性器件的安装误差、标度因数等常值误差，在确定这些误差源之后可以采用差值、拟合算法对其造成的影响进行补偿，提高MEMS惯性器件测量的精度，消除系统误差。其步骤如下：

步骤1：采集x，y，z轴陀螺仪数据。

陀螺仪标定主要采用速率标定法，将姿态测量系统固定安装在角速率转台上，给定一个固定的转台速率值，测量陀螺仪的输出值。将x轴陀螺仪数据记为GX，y轴陀螺仪数据记为GY，z轴陀螺仪数据记为GZ，采集数据过程如下。

GX：转台外框、中框锁住(此时为陀螺Y、Z轴方向无重力方向，X轴方向为重力方向，此时转台内框运行时＝＝绕X轴运行)，设置转台内框上电——闭合——设置——(内框)速率方式(300°/s)，此时，标定软件开电，数据流畅后开始记录数据，30s后，控制转台点击运行——内框运行。转台运行30s左右后停止记录，然后保存数据，将数据命名为“GX.dat”保存在相关文件夹内，停止转台内框运行，并点击“闲置”——“内框闲置”——“下电”——“内框下电”，并将标定软件断电。

GY：外框锁住，中框打开，转动中框、内框，将三轴方向调整为转台中框运行时绕Y轴运行。设置转台“中框和内框上电”——闭合——“中框内框闭合”设置——(中框)速率方式(300°/s)，此时，标定软件开电，数据流畅后点击“记录数据”，开始记录，30s后，控制转台点击运行——中框运行。转台运行30s左右，点击“停止记录”——“保存数据”将数据命名为“GY.dat”保存在相关文件夹内，停止转台中框运行，并点击“闲置”——“中框内框闲置”——“下电”——“中框内框下电”，并将标定软件断电。

GZ：外框锁，中框打开，转动中框、内框，将三轴方向调整为转台中框运行时＝＝绕Z轴运行。设置转台“中框和内框上电”——闭合——“中框内框闭合”设置——(中框)速率方式(300°/s)，此时，标定软件开电，数据流畅后点击“记录数据”，开始记录，30s后，控制转台点击运行——中框运行。转台运行30s左右，点击“停止记录”——“保存数据”将数据命名为“GZ.dat”保存在相关文件夹内，停止转台中框运行，并点击“闲置”——“中框内框闲置”——“下电”——“中框内框下电”，并将标定软件断电。

步骤2：采集x，y，z轴加速度计数据。

将x轴加速度数据记为AX，y轴加速度数据记为AY，z轴加速度数据记为AZ。采集数据过程如下。

AX：中框内框上电——闭合——中框内框闭合——归零——中框归零——设置——中框位置方式——90°(此时加速度可稍微调大些)，待90°位置稳定后，标定上位机开电——数据流畅后点击“记录数据”，开始记录(此时为采集X轴加计输出为0)，30s后，设置中框位置方式——0°(此时为采集X轴加计输出为一个g)——中框运行——待转台运行到该位置后继续保持记录30s左右，点击“停止记录”——“保存数据”将数据命名为“AX.dat”保存在相关文件夹内，并点击“闲置”——“中框内框闲置”——“下电”——“中框内框下电”，并将标定软件断电。

AY：外框锁，中框打开，转动内框，将三轴方向调整为转台中框停在90°时Y轴为重力轴。中框内框上电——闭合——中框内框闭合——归零——中框归零，(此时Y轴重力感应为0)归零结束后，标定上位机开电——数据流畅后点击“记录数据”，开始记录(此时为采集Y轴加计输出为0)，30s后，设置中框位置方式——90°(此时为采集Y轴加计输出为一个g)——中框运行——待转台运行到该位置后继续保持记录30s左右，点击“停止记录”——“保存数据”将数据命名为“AY.dat”保存在相关文件夹内，并点击“闲置”——“中框内框闲置”——“下电”——“中框内框下电”，并将标定软件断电。

AZ：外框锁，中框打开，转动内框，将三轴方向调整为转台中框停在90°时Z轴为重力轴。中框内框上电——闭合——中框内框闭合——归零——中框归零，(此时Z轴重力感应为0)归零结束后，标定上位机开电——数据流畅后点击“记录数据”，开始记录(此时为采集Z轴加计输出为0)，30s后，设置中框位置方式——90°(此时为采集Y轴加计输出为一个g)——中框运行——待转台运行到该位置后继续保持记录30s左右，点击“停止记录”——“保存数据”将数据命名为“AZ.dat”保存在相关文件夹内，并点击“闲置”——“中框内框闲置”——“下电”——“中框内框下电”，并将标定软件断电。

步骤3：进行惯性器件的粗标定。

在matlab中运行相应的程序，再依次对GX-GY-GZ，AX-AY-AZ进行数据的取点。原始的GX数据如图1所示。将三轴陀螺、三轴加计数据均选取完成后，应用HDNT软件，将粗标定数据合并，合并后会生成新的GX、GY、GZ和AX、AY、AZ数据。再将新生成的数据上传至粗标定模块，替换原有数据。最后，将粗标定模块中的参数发送至HDNT软件，通道上所显示的数据即为粗标定数据。

步骤4：进行惯性器件的温度补偿。

首先需要采集温度数据。由于在温标过程中，数值变化缓慢，需要将更新率调大。将各个通道设置及连线安装好之后，调节温箱温度，设定温度范围，每10°一个阶段，每个阶段采集1-2h。具体操作如下：

先将温箱设定一初始温度，待温度到达设定值后，标定上位机上电，待数据流畅后开始记录数据。之后每一小时将温箱升高10°，当温箱温度到达设定值一小时后，再保存数据，关闭温箱。

其次进行温度数据标定。在matlab中运行相应的程序，依次选定通道后需要点击温度零位，每个阶段温度曲线选取两个点。GX温度采集曲线如图2所示。全部选取完毕后，需要将温度补偿数据合并，合并后会生成新的通道数据。再将新生成的数据上传至温标模块，替换原有数据。最后，将温标模块中的参数发送至HDNT软件，通道上所显示的数据即为温标数据。

步骤5：进行惯性器件的比例系数标定。

随着角速度的增大，陀螺输出的比例系数偏差也逐渐增大，因而需要对陀螺的比例系数进行精确标定。具体补偿方法为：首先将转台设置为不同角速度的变化，其量程范围-360°/s～360°/s，采集激励信号。利用最小二乘方法对比例系数进行补偿。

首先需要相应的采集三轴陀螺仪与三轴加速度计的数据。然后在matlab中运行相应的程序，将每个阶段速度曲线选取两个点(如图3、4所示)，全部选取完毕后合并比例系数误差补偿数据，合并后会生成新的通道数据。再将新生成的数据上传至比例系数模块，替换原有数据。最后，将比例系数模块中的参数发送至HDNT软件，通道上所显示的数据即为标定后的数据。

步骤6：进行惯性器件的交叉耦合误差补偿。

由于惯性器件的摆放位置不能保证三敏感轴绝对正交，存在非正交耦合误差，具体体现在：当只有X轴有角速度时，由于安装误差，其他两正交轴Y轴和Z轴会有对应的耦合分量，在进行姿态解算时会导致姿态误差增大。因此，必须对非正交耦合误差进行补偿。

首先需要相应的采集三轴陀螺仪与三轴加速度计的数据。然后在matlab中运行相应的程序，将每个阶段速度曲线选取两个点(如图3、4所示)，全部选取完毕后合并交叉耦合系数补偿数据，合并后会生成新的通道数据。再将新生成的数据上传至交叉耦合模块，替换原有数据。最后，将交叉耦合模块中的参数发送至HDNT软件，通道上所显示的数据即为标定后的数据。

综上所述，本发明提出的一种MEMS惯性器件的标定方法，这种方法提高MEMS惯性器件测量的精度以及信噪比。从而削弱在使用过程中生产的误差。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.发明公开了一种MEMS惯性器件的标定方法，其特征在于利用HDNT软件，采用速率标定法进行标定。将姿态测量系统固定安装在角速率转台上，给定一个固定的转台速率值，测量MEMS惯性器件的输出值。再利用角速率转台对惯性器件误差模型中的比例系数、温度、交叉耦合误差进行误差补偿和标定。

2.根据权利要求1所述的对惯性器件误差模型中的比例系数进行标定，其特征在于将惯性测量装置通过夹具固定在转台上，可调节比例系数确保加速度计在±1之间，根据方向修改正负号，确保轴向上为+，根据右手定则确定方向。

3.根据权利要求1所述的对惯性器件误差模型中的温度进行标定，其特征在于需要将惯性测量装置放置在温箱内，设定温箱温度范围，每10度一个阶段，每个阶段采集1小时或2小时。

4.根据权利要求1所述的对惯性器件误差模型中的交叉耦合误差进行误差补偿，其特征在于利用补偿公式对非正交耦合误差进行补偿。

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