CN113624259A

CN113624259A - 一种mems惯组的标定方法

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Publication number: CN113624259A
Application number: CN202110967479.6A
Authority: CN
Inventors: 肖剑峰; 宁明辉; 程果
Original assignee: Hunan Kezhong Xiongdi Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Kezhong Xiongdi Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2041-08-23
Also published as: CN113624259B

Abstract

本发明公开了一种MEMS惯组的标定方法，通过建立陀螺标定模型和加速度计标定模型，利用双轴旋转平台调节MEMS惯组的状态，输出陀螺和加速度计在不同状态下的数据，将第一输出数据和第二输出数据代入到陀螺标定模型和加速度计标定模型中，求解得到陀螺标定模型和加速度计标定模型对应的标定系数，完成MEMS惯组的标定。本发明提供的一种MEMS惯组的标定方法，MEMS惯组和旋转平台作为一个整体进行研究，极大的方便了MEMS惯组的标定试验，不需要频繁的进行MEMS惯组的拆装，可以简化标定流程；并且在标定过程中MEMS惯组不需要水平放置，降低了标定条件要求。

Description

一种MEMS惯组的标定方法

【技术领域】

本发明涉及MEMS惯组技术领域，具体涉及一种MEMS惯组的标定方法。

【背景技术】

MEMS惯组由三轴陀螺和三轴加速度计分别正交安装组成，由于制造工艺的影响，陀螺和MEMS加速度计常存在较大的零偏、刻度系数误差、安装误差，在导航过程中，这些误差会导致导航结果快速发散。为了得到以上所述零偏、刻度系数误差、安装误差，需要借助三轴/双轴转台，通过特定次序的转位，根据误差模型计算得出。三轴/双轴转台通常是单独存在于实验室，在标定试验中，需要将MEMS惯组安装在转台上，再进行标定实验，但是MEMS惯组的误差特性易受到温度等外界因素影响，实验室标定的模型系数已经不适用于装载到运载器上的MEMS惯组，并且在传统的标定方法中，需要将MEMS惯组放置于水平状态，但在多数的应用中，如运载器在倾斜条件下放置，此条件并不能满足。因此实有必要提供一种MEMS惯组的标定方法以解决上述问题。

【发明内容】

本发明公开了一种MEMS惯组的标定方法，将MEMS惯组和旋转平台作为一个整体进行研究，极大的方便了MEMS惯组的标定试验，不需要频繁的进行MEMS惯组的拆装，可以简化标定流程；并且在标定过程中MEMS惯组不需要水平放置，降低了标定条件要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种MEMS惯组的标定方法，所述MEMS惯组安装于双轴旋转平台上，所述双轴旋转平台包括内框和外框，所述MEMS惯组包括陀螺和加速度计，所述内框与所述陀螺的Z轴相对应，所述外框与所述陀螺的X轴相对应，所述陀螺的Y轴指向遵循右手定则，所述标定方法包括陀螺标定方法和加速度计标定方法；

其中，所述陀螺的标定方法为：

S11：建立陀螺标定模型：

式中，ω_x,ω_y,ω_z分别为陀螺x,y,z轴的测量角速率，w_x,w_y,w_z分别为陀螺x,y,z轴的输入角速率，ω_x0,ω_y0,ω_z0分别为陀螺x,y,z轴的零偏，p_x,p_y,p_z为陀螺的刻度系数，M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy为陀螺的安装误差；

S12：以MEMS惯组的安装位置为位置1；控制内框不动，将外框正向旋转第一角度值到位置2；然后将外框反向旋转第一角度值到位置3；

S13：以位置3为初始状态，控制外框不动，将内框正向旋转第二角度值到位置4；然后将内框反向旋转第二角度值到位置5；

S14：以位置5为初始状态，控制外框不动，将内框旋转第三角度值到位置6；

S15：以位置6为初始状态，控制内框不动，将外框正向旋转第四角度值到位置7；控制内框不动，将外框反向旋转第四角度值到位置8；

S16：记录MEMS惯组在位置1-8时的第一输出数据，其中所述第一输出数据为陀螺x,y,z轴的测量角速率及陀螺每次位置调整的时间，将8组所述第一输出数据代入所述陀螺标定模型中，求解得到陀螺的刻度系数p_x,p_y,p_z、陀螺零偏

及安装误差M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy，完成陀螺的标定；

所述加速度计的标定方法为：

S21：建立加速度计标定模型：

式中，f_x,f_y,f_z分别为加速度计x,y,z轴的测量加速度，a_x,a_y,a_z分别为加速度计x,y,z轴的输入加速度，f_x0,f_y0,f_z0分别为加速度计x,y,z轴的加速度计零偏；k_x,k_y,k_z为加速度计的刻度系数；E_yx,E_zx,E_zy为加速度计的安装误差；

S22：设加速度计初始状态姿态角为俯仰θ，滚转γ，则从所述MEMS惯组到所述旋转平台的姿态转移矩阵为：

S23：联立所述加速度计标定模型和所述姿态转移矩阵得到所述加速度计标定模型的转换式：

S24：改变外框和内框的角度，使加速度计分别处于位置9-16上，记录MEMS惯组在位置9-16时的第二输出数据，所述第二输出数据包括加速度计的x,y,z轴的测量加速度、加加速度计的x,y,z轴输入加速度；

S25：将8组所述第二输出数据代入到上述转换式中，求解得到加速度计标定模型的刻度系数k_x,k_y,k_z、加速度计零偏f_x0,f_y0,f_z0及安装误差E_yx,E_zx,E_zy，完成加速度计的标定。

优选的，所述第一角度值、第二角度值、第三角度值及第四角度值均为90°的整数倍。

优选的，所述步骤S12-S14具体为：

S12：以MEMS惯组的安装位置为位置1；控制内框不动，将外框正向旋转90°到位置2；然后将外框反向旋转90°到位置3；

S13：以位置3为初始状态，控制外框不动，将内框正向旋转90°到位置4；然后将内框反向旋转90°到位置5；

S14：以位置5为初始状态，控制外框不动，将内框正向旋转90°到位置6；

S15：以位置6为初始状态，控制内框不动，将外框正向旋转270°到位置7；控制内框不动，将外框反向旋转270°到位置8。

优选的，位置9-16中内框和外框的角度值均为90°的整数倍。

优选的，位置9-16中内框和外框的角度值分别为：

位置9：内框的角度为270°，外框的角度为0°；

位置10：内框的角度为270°，外框的角度为180°；

位置11：内框的角度为0°，外框的角度为0°；

位置12：内框的角度为0°，外框的角度为90°；

位置13：内框的角度为0°，外框的角度为180°；

位置14：内框的角度为0°，外框的角度为270°；

位置15：内框的角度为270°，外框的角度为90°；

位置16：内框的角度为270°，外框的角度为180°。

与相关技术相比，本发明提供的MEMS惯组的标定方法将MEMS惯组和旋转平台作为一个整体进行研究，极大的方便了MEMS惯组的标定试验，不需要频繁的进行MEMS惯组的拆装，可以简化标定流程；并且在标定过程中MEMS惯组不需要水平放置，降低了标定条件要求。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为陀螺标定前的数据；

图2为陀螺标定后的数据；

图3为加速度计标定前的数据；

图4为加速度计标定后的数据。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

请结合参阅图1-4，本发明提供一种MEMS惯组的标定方法，所述MEMS惯组安装于双轴旋转平台上，所述双轴旋转平台包括内框和外框，所述MEMS惯组包括陀螺和加速度计，所述内框与所述陀螺的Z轴相对应，所述外框与所述陀螺的X轴相对应，所述陀螺的Y轴指向遵循右手定则；所述标定方法包括陀螺标定方法和加速度计标定方法，

其中所述陀螺标定方法为：

S1：建立陀螺标定模型：

式中，ω_x,ω_y,ω_z分别为陀螺x,y,z轴的测量角速率，w_x,w_y,w_z分别为陀螺x,y,z轴的输入角速率，ω_x0,ω_y0,ω_z0分别为陀螺x,y,z轴的零偏，p_x,p_y,p_z为陀螺的刻度系数，M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy为陀螺的安装误差。

及安装误差M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy，完成陀螺的标定；

优选的，所述第一角度值、第二角度值、第三角度值及第四角度值的角度值均为90°的整数倍。通过控制变量的形式，每次仅控制外框及内框中的一个旋转，另一个保持状态不变，在计算过程中，会有一轴方向上的角速率为0，可以方便计算，同时每次旋转的角度值也为90°的整数倍，同样是为了使一轴方向角速率变化为0，也是为了方便计算。

所述加速度计标定方法为：

S21：建立加速度计标定模型：

式中，f_x,f_y,f_z分别为加速度计x,y,z轴的测量加速度，a_x,a_y,a_z分别为加速度计x,y,z轴的输入加速度，

分别为加速度计x,y,z轴的加速度计零偏；k_x,k_y,k_z为加速度计的刻度系数；E_yx,E_zx,E_zy为加速度计的安装误差；

则加速度计x,y,z轴的输入加速度为：

直接将加速度计在x,y,z轴的输入加速度代入到所述加速度计标定模型中即可得到所述转换式。

S24：改变外框和内框的角度，使加速度计分别处于位置9-16上，记录MEMS惯组在位置9-16时的第二输出数据，所述第二输出数据包括加速度计的x,y,z轴的测量加速度及加速度计x,y,z轴的输入加速度；

S25：将8组所述第二输出数据代入到上述转换式中，求解得到加速度计标定模型的刻度系数k_x,k_y,k_z、加速度计零偏

及安装误差E_yx,E_zx,E_zy，完成加速度计的标定。

优选的，位置9-16中内框和外框的角度值均为90°的整数倍。

实施例一

在本实施中，位置1-8时，内框和外框的角度值如下表所述：

需要说明的是，上表中内框90°表示在初始状态将内框正向旋转90°到达的位置；外框270°表示在初始状态将外框正向旋转270°达到的位置。

对位置1-3整体的旋转过程进行研究，位置1-2为正向旋转过程，位置2-3为反向旋转过程，两次旋转的旋转时间相同，均为T。同理，对位置4-6整体的旋转过程进行研究，位置4-5为正向旋转过程，位置5-6为反向旋转过程，两次的旋转时间相同，均为T；对位置6-8整体的旋转过程进行研究，位置6-7为正向旋转过程，位置7-8为反向旋转过程，两次的旋转时间相同，均为T。

从位置1到位置2，分析陀螺的状态变化，存在如下方程：

w_y＝0

w_z＝0

其中，

表示在x轴方向正向旋转，ω_x ^-表示在x轴方向反向旋转；以下

类似。

从位置2到位置3，分析陀螺的状态变化，存在如下方程：

由于安装误差的存在，在其中一轴转动的时候另外两轴会有转动分量，因此：

则从位置1位置2过程中，还存在如下方程：

从位置2到位置3过程中，还存在如下方程：

联立上式可得：

同理，通过位置3-5的转序，可得：

通过位置6-8的转序，可得：

将MEMS的第一输出数据代入上p_x,p_y,p_z、

及M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy的表达式中，可以求解得到p_x,p_y,p_z、

及M_xy,M_xz,M_yx,M_yz,M_zx,M_zy的取值，然后再将取值代入所述陀螺标定模型中完成陀螺的标定。

实施例二

位置9-16中内框和外框的角度值如下表所示：

位置	内框	外框
			9	270	0
10	270	180
			11	0	0
12	0	90
			13	0	180
14	0	270
			15	270	90
16	270	180

需要说明的是，上表中内框270°表示在初始状态将内框正向旋转270°到达的位置；外框180°表示在初始状态将外框正向旋转180°达到的位置；外框90°表示在初始状态将外框正向旋转90°达到的位置。

对于位置9，存在如下方程：

其中，

表示在x轴正向的加速度，

表示在x轴负向的加速度；以下

类似。

对于位置10，存在如下方程：

联立位置9和位置10时的方程，得到：

对于位置11，存在如下方程：

对于位置12，存在如下方程：

对于位置13，存在如下方程：

对于位置14，存在如下方程：

对于位置15，存在如下方程：

位置16，存在如下方程：

联立上述各式可得：

将k_x,k_y,k_z、

及E_yx,E_zx,E_zy代入到所述加速度及计标定模型中，完成加速度计的标定。

实施例三

按照本发明提供的一种MEMS惯组的标定方法，进行某型号MEMS惯组的标定试验，并将标定前后的陀螺及加速度计数据进行对比，验证了标定方法的可行性。

其中，图1为标定前陀螺数据，图2为标定后陀螺数据，从图1可以看出，由于陀螺标定误差的影响，标定前当双轴转台单轴转动时，其余二轴产生了接近2°/s的耦合角速度，且随着转速的增大而增大，从图2可以看出，标定后的耦合角速度比标定前较小，满足标定要求。

图3为标定前加速度计数据，图4为标定后加速度计数据；从图3可以看出，由于加速度计标定误差的影响，标定前竖直加速度投影到水平加速度上误差较大，达到了0.5m/s²，从图4可以看出，标定后耦合加速度较小，满足标定要求。

以上对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。