CN113447044A - 一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于MEMS应用技术领域，公开了一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，能够大幅降低惯性测量系统中产生的轴向误差，从而大大提高惯性测量系统的导航精度，因为本发明的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法首先通过在阵列式惯性测量实验电路板设置惯性测量区位并基于惯性测量区位建立惯性测量坐标系，然后在该惯性测量坐标系中对称且均匀设置IMU芯片且对称设置的两个IMU芯片的X、Y轴相互反向设置，最后根据多个IMU芯片分别在惯性测量坐标系中的位置向量和测得的实时比力、实时角速度以及实时角加速度得到IMU芯片在惯性测量坐标系的融合比力以及融合角速度。

Description

一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法
技术领域
本发明属于MEMS应用技术领域，具体涉及一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法。
背景技术
伴随近年来微机电系统(MEMS)的不断发展，MEMS惯性测量单元由于其便携式和低成本特性开始映入人们的眼帘。但其单个惯性测量单元的导航精度低，噪声大。
在此基础上，将多个惯性测量单元集成到一起，将多个惯性测量信息同步采集并进行融合从而提高惯性测量精度的阵列式惯性测量系统成为当下惯性导航发展趋势之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，能够大幅降低惯性测量系统中产生的轴向误差，从而大大提高惯性测量系统的导航精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：
一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，以阵列式惯性测量实验电路板作为设置基体，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将通过MEMS工艺生产的IMU芯片作为阵列式惯性测量实验系统的基本组成单元；
步骤S2：在阵列式惯性测量实验电路板上设置呈正圆形的惯性测量区位；
步骤S3：以惯性测量区位所在平面作为XY平面，以惯性测量区位的圆心作为坐标系原点建立惯性测量坐标系；
步骤S4：将至少三个的多个IMU芯片中的一个设置在惯性测量区位的圆心，其余IMU芯片对称且均匀设置在惯性测量区位的圆周上，并且IMU芯片的三个坐标轴均与惯性测量坐标系的三个坐标轴相平行，且对称设置的两个IMU芯片的X、Y轴相互反向设置；
步骤S5：根据多个IMU芯片分别在惯性测量坐标系中的位置向量和多个IMU芯片分别测得的实时比力、实时角速度以及实时角加速度得到多个IMU芯片在惯性测量坐标系的融合比力以及融合角速度。
优选地，在阵列式惯性测量实验电路板的正反两面上分别设置有两个相同且相应的惯性测量区位，将位于一个惯性测量区位的所有IMU芯片作为一个对称IMU阵列，两个对称IMU阵列的IMU芯片的数量相同且位置对应，不同对称IMU阵列的两个对应IMU芯片的X、Y轴相同且Z轴相互反向设置。
进一步地，对称IMU阵列内的IMU芯片的数量为5个。
优选地，步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1:将位于惯性测量区位的圆周的所有IMU芯片进行顺序编号；
步骤S5-2:通过最小二乘法对实时角速度进行迭代加权，得到多个IMU芯片在惯性测量坐标系的融合角速度；
步骤S5-3:建立比力恒等式如下：
Figure BDA0003078560320000021
i为IMU芯片对应的编号，
Figure BDA0003078560320000022
为与i相应的实时比力，
Figure BDA0003078560320000023
为与i相应的惯性测量区位的圆心的融合比力，
Figure BDA0003078560320000024
为与i相应的IMU芯片的实时角加速度，ri为与i相应的IMU芯片在惯性测量坐标系的位置矢量，ω×(ω×ri)为与i相应的IMU芯片的离心加速度的矢量值，
Figure BDA0003078560320000025
为与i相应的IMU芯片的欧拉加速度；
步骤S5-4:对比力恒等式进行转换，根据基于实时比力建立的比力观测矩阵和基于多个IMU芯片的欧拉加速度建立的角加速度高斯白噪音模型得到多个IMU芯片在惯性测量坐标系的融合比力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.因为本发明的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法首先通过在阵列式惯性测量实验电路板设置惯性测量区位并基于惯性测量区位建立惯性测量坐标系，然后在该惯性测量坐标系中对称设置IMU芯片且对称且均匀设置的两个IMU芯片的X、Y轴相互反向设置，最后根据多个IMU芯片分别在惯性测量坐标系中的位置向量和测得的实时比力、实时角速度以及实时角加速度得到IMU芯片在惯性测量坐标系的融合比力以及融合角速度，因此，当进行惯性测量时，本发明的多个IMU芯片在X、Y轴上产生的轴向误差相互耦合抵消,并且测量结果不同时含有欧拉加速度或者离心加速度的分量，不存在耦合受力的情形，从而能够大幅降低惯性测量系统中产生的轴向误差，从而大大提高惯性测量系统的导航精度。
2.因为在本发明的阵列式惯性测量实验电路板的正反两面上分别设置有两个相同且相应的惯性测量区位，将位于一个惯性测量区位的所有IMU芯片作为一个对称IMU阵列，两个对称IMU阵列的IMU芯片的数量相同且位置对应，不同对称IMU阵列的两个对应IMU芯片的X、Y轴相同且Z轴相互反向设置，因此，两个对称IMU阵列的双面对应设置使得不同对称IMU阵列的IMU芯片在Z轴上产生的轴向误差相互耦合抵消。
附图说明
图1为本发明的实施例的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法步骤示意图；
图2为本发明的实施例的惯性测量区位及对称IMU阵列的示意图；以及
图3为本发明的实施例的IMU芯片在三个轴上的融合数据示意图；
图中：S100、对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，1、惯性测量区位，2、对称IMU阵列，3、IMU芯片。
具体实施方式
为了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，以下实施例结合附图对本发明的一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1和图2所示，本实施例中的一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法S100，以阵列式惯性测量实验电路板(附图中未示出)作为设置基体，包括以下步骤：
步骤S1：将通过MEMS工艺生产的IMU芯片3作为阵列式惯性测量实验系统的基本组成单元。
步骤S2：在阵列式惯性测量实验电路板上设置呈正圆形的惯性测量区位1。
步骤S3：以惯性测量区1位所在平面作为XY平面，以惯性测量区位1的圆心作为坐标系原点建立惯性测量坐标系。
在本实施例中，惯性测量区位1的半径为1.5cm。
步骤S4：将至少三个的多个IMU芯片3中的一个设置在惯性测量区位1的圆心，其余IMU芯片3对称且均匀设置在惯性测量区位1的圆周上，并且IMU芯片3的三个坐标轴均与惯性测量坐标系的三个坐标轴相平行，且对称设置的两个IMU芯片3的X、Y轴相互反向设置。
具体地，阵列式惯性测量实验电路板的正反两面上分别设置有两个相同且相应的惯性测量区位1，将位于一个惯性测量区位1的所有IMU芯片3作为一个对称IMU阵列2，两个对称IMU阵列2的IMU芯片3的数量相同且位置对应，不同IMU阵列2的两个对应IMU芯片3的X、Y轴相同且Z轴相互反向设置。
一个对称IMU阵列2内的IMU芯片3的数量为5个，即惯性测量区位1的圆心设置1个IMU芯片3，4个IMU芯片3以90°间隔均匀且对称设置在惯性测量区位1的圆周上。
IMU芯片3的数量设置为5个是由于考虑到惯性测量单元的数量和空间布局方式对阵列式惯性测量单元造成的影响，从系统可靠性的角度来说，随着惯性测量单元数量的增加，所获取的姿态信息准确度也将随之增加。然而，当惯性测量单元的数量增加到10个以上阵列式惯性测量单元的增长与惯性测量单元的数量的增长将不再呈正比。
步骤S5：根据多个IMU芯片3分别在惯性测量坐标系中的位置向量和多个IMU芯片3在惯性测量过程中分别测得的实时比力、实时角速度以及实时角加速度得到多个IMU芯片3在惯性测量坐标系的融合比力以及融合角速度。
具体地，步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1:将位于惯性测量区位1的所有IMU芯片3进行顺序编号。
步骤S5-2:通过最小二乘法对实时角速度进行迭代加权，得到多个IMU芯片3在惯性测量坐标系的融合角速度。
具体地，根据刚体力学，同轴转动的物体角速度相同。因此，固定在同一阵列式惯性测量实验电路板上的陀螺仪角速度测量值相同，因此可使用多种降维数据融合算法对角速度数据进行降维融合。
对多个IMU芯片3使用迭代加权最小二乘法对角速度数据进行降维融合，包括以下步骤：
步骤T1:初始化权重为
Figure BDA0003078560320000051
其中si表示第i个IMU的权重值，ωi表示第i个IMU的角速度值。
步骤T2:计算角速度的加权最小二乘值
Figure BDA0003078560320000052
其中
Figure BDA0003078560320000053
表示角速度的加权最小二乘值。
步骤T3:通过权重函数
Figure BDA0003078560320000054
得到迭代后的IMU的各角速度值，在多次迭代后，各角速度同时接近的值便为其最终融和得到多个IMU芯片3在惯性测量坐标系的融合角速度。
其中δ(δ>0是降权的阈值，β(β>0)是权重相对残差的衰减率，δ和β为基于本领域内的现有通用经验并对应具体需要设定的预定阈值和预定衰减率。
步骤S5-3:建立比力恒等式如下：
Figure BDA0003078560320000055
i为IMU芯片对应的编号，
Figure BDA0003078560320000056
为与i相应的实时比力，
Figure BDA0003078560320000057
为与i相应的惯性测量区位的圆心的融合比力，
Figure BDA0003078560320000058
为与i相应的IMU芯片的实时角加速度，ri为与i相应的IMU芯片在惯性测量坐标系的位置矢量，ω×(ω×ri)为与i相应的IMU芯片的离心加速度的矢量值，
Figure BDA0003078560320000059
为与i相应的IMU芯片的欧拉加速度；
步骤S5-4:对比力恒等式进行转换，根据基于实时比力建立的比力观测矩阵和基于多个IMU芯片的欧拉加速度建立的角加速度高斯白噪音模型得到多个IMU芯片在惯性测量坐标系的融合比力。
具体地，为保证IMU芯片3在任意两轴之间的比力之间不存在耦合现象以确保各轴向数据的正确性，将含角加速度分量的欧拉加速度建立为白噪声模型，以便于进行卡尔曼滤波，其方差根据载体运动状态进行调节，因此可以得到对应的比力的状态方程如下：
Figure BDA0003078560320000061
其中，其中i为IMU芯片对应的编号，
Figure BDA0003078560320000062
为与i对应已知的单个IMU芯片的实测比力；
Figure BDA0003078560320000063
为与i相应位于惯性测量区位1的圆心的融合比力，为待求矢量；hωωr(ω)表示离心加速度项ω×(ω×ri)；n表示被建模成高斯白噪声的欧拉加速度。
将上式中含加速度计测量噪声的第i个加速度计的比力
Figure BDA0003078560320000064
记为si，将所有加速度的比力记为
Figure BDA0003078560320000065
可得到比力的测量模型如下:
zs＝hs(m)+ns
其中Zs为基于所述实时多个IMU芯片3对应的实测比力
Figure BDA0003078560320000066
建立的比力观测矩阵。
ns被建模为高斯白噪声的欧拉加速度,该式可直接使用卡尔曼滤波器进行冗余融合，最终得到
Figure BDA0003078560320000067
的非线性矩阵，即为多个IMU芯片3在惯性测量坐标系的融合比力。
如图3所示，在本实施例中，经过多次重复对比仿真试验后，结果表明：未使用阵列式惯性测量实验系统的设置方法S100时,单个陀螺仪的估计误差为每轴4deg/s，而使用阵列式惯性测量实验系统的设置方法S100后，X轴估计误差为2.51deg/s，Y轴估计误差为2.53deg/s，Z轴估计误差为3.67deg/s，阵列式惯性测量实验系统的设置方法S100使得陀螺仪的XYZ轴误差分别降低了59％、58％以及9％。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，以阵列式惯性测量实验电路板作为设置基体，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将通过MEMS工艺生产的IMU芯片作为阵列式惯性测量实验系统的基本组成单元；
步骤S2：在所述阵列式惯性测量实验电路板上设置呈正圆形的惯性测量区位；
步骤S3：以所述惯性测量区位所在平面作为XY平面，以所述惯性测量区位的圆心作为坐标系原点建立惯性测量坐标系；
步骤S4：将至少三个的多个所述IMU芯片中的一个设置在所述惯性测量区位的圆心，其余所述IMU芯片对称且均匀设置在所述惯性测量区位的圆周上，并且所述IMU芯片的三个坐标轴均与所述惯性测量坐标系的三个坐标轴相平行，且所述对称设置的两个IMU芯片的X、Y轴相互反向设置；
步骤S5：根据所述多个IMU芯片分别在所述惯性测量坐标系中的位置向量和所述多个IMU芯片分别测得的实时比力、实时角速度以及实时角加速度得到所述多个IMU芯片在所述惯性测量坐标系的融合比力以及融合角速度。
2.根据权利要求1所述的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，其特征在于：
其中，在所述阵列式惯性测量实验电路板的正反两面上分别设置有两个相同且相应的所述惯性测量区位，
将位于一个所述惯性测量区位的所有所述IMU芯片作为一个对称IMU阵列，两个所述对称IMU阵列的所述IMU芯片的数量相同且位置对应，不同所述对称IMU阵列的两个对应所述IMU芯片的X、Y轴相同且Z轴相互反向设置。
3.根据权利要求2所述的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，其特征在于：
其中，所述对称IMU阵列内的所述IMU芯片的数量为5个。
4.根据权利要求1所述的对称结构的阵列式惯性测量实验系统的设置方法，其特征在于：
其中，步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1:将位于所述惯性测量区位的所有IMU芯片进行顺序编号；
步骤S5-2:通过最小二乘法对所述实时角速度进行迭代加权，得到所述多个IMU芯片在所述惯性测量坐标系的融合角速度；
步骤S5-3:建立比力恒等式如下：
Figure FDA0003078560310000021
i为所述IMU芯片对应的编号，
Figure FDA0003078560310000022
为与i相应的所述实时比力，
Figure FDA0003078560310000023
为与i相应的所述惯性测量区位的圆心的所述融合比力，
Figure FDA0003078560310000024
为与i相应的所述IMU芯片的实时角加速度，ri为与i相应的所述IMU芯片在所述惯性测量坐标系的位置矢量，ω×(ω×ri)为与i相应的所述IMU芯片的离心加速度的矢量值，
Figure FDA0003078560310000025
为与i相应的所述IMU芯片的欧拉加速度；
步骤S5-4:对所述比力恒等式进行转换，根据基于所述实时比力建立的比力观测矩阵和基于所述多个IMU芯片的欧拉加速度建立的角加速度高斯白噪音模型得到所述多个IMU芯片在所述惯性测量坐标系的融合比力。
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