CN113865621B - 任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法，将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，记录每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的一组数据；对每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据进行平滑滤波；基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型；采用平滑滤波后的MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据求解所述g值敏感系数模型，获得g值敏感系数。本发明提供的标定方法可以解决传统MEMS陀螺仪g值敏感系数标定流程复杂，时间长的问题，仅用六个位置求解出g值敏感系数，缩短标定时间，提高MEMS陀螺的精度。

Description

任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法
技术领域
本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法。
背景技术
因为尺寸小、成本低、精度高、易于集成和可大规模生产等优点，微机电(MEMS)惯性传感器受到越来越多人们的欢迎，广泛应用于民用和军用领域。MEMS陀螺仪由于特殊的加工工艺和设计原理,其角速率输出精度的影响因素区别于传统的激光和光纤陀螺仪,存在由加速度所引入的测量误差，称之为g值敏感误差。
在消费级和商业应用中，所选用的MEMS陀螺仪的零偏稳定性较差，高达几百度每小时，且应用过程中绝大多数工作在低动态环境下，加速度相对较小，因此由g值敏感系数所引起的陀螺仪输出误差相对陀螺仪其他误差如零偏不稳定性误差幅值较小，在导航系统中的影响经常被忽略。因而，很少有参考文献关注研究g值敏感系数的标定和补偿。
在一些高性能的MEMS陀螺仪中，由g值敏感系数所引起的陀螺仪角速率输出误差不能被轻易忽略，需要进行标定和补偿，从而提高高性能MEMS陀螺仪在动态情况下的测量精度和性能。
通过将陀螺仪固定在转台上旋转多个位置进行数据采集,并对采集的数据进行误差建模，使用线性最小二乘法求取值敏感系数。该方法计算较为复杂，标定时间长。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法，可以解决传统MEMS陀螺仪g值敏感系数标定流程复杂，时间长的问题，仅用任意六个位置求解出g值敏感系数，缩短标定时间，提高MEMS陀螺的精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，包括：
将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，记录每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的一组数据；
对每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据进行平滑滤波；
基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型；
采用平滑滤波后的MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据求解所述g值敏感系数模型，获得g值敏感系数。
进一步地，将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，静止采集数分钟后同步采集MEMS陀螺仪和加速度计的输出数据。
所述加速度计的精度高于所述MEMS陀螺仪。
进一步地，对每个位置MEMS陀螺仪输出的数据进行平滑滤波包括：
其中为平滑后的MEMS陀螺仪输出，/>为MEMS陀螺仪输出的原始采集数据，N为此位置MEMS陀螺仪输出的原始采集数据总个数。
进一步地，对每个位置加速度计输出的数据进行平滑滤波包括：
其中为平滑后的加速度计输出，/>为加速度计输出的原始采集数据，N为此位置加速度计输出的原始采集数据总个数。
进一步地，所述g值敏感系数模型为：
其中Gx,Gy,Gz,是待标定参数，/>分为每个位置处地球自转角速率在陀螺仪坐标系b系下x,y,z轴的投影，/>分别为g值敏感系数x、y、z方向的分量。
进一步地，求解所述g值敏感系数模型，包括使函数值全局最小：
进一步地，采用牛顿迭代算法和PSO算法使方程最小，从而解出Gx,Gy,Gz,/>
进一步地，基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型时，忽略交叉项的敏感系数。
另一方面提供一种MEMS陀螺仪，g值敏感系数采用所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法标定。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提供的标定方法可以解决传统MEMS陀螺仪g值敏感系数标定流程复杂，时间长的问题，仅用六个位置求解出g值敏感系数，缩短标定时间，提高MEMS陀螺的精度。无需使用转台及温箱，标定过程简单。适用于高性能、高动态条件下的MEMS陀螺仪的快速标定。
附图说明
图1是任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法流程图；
图2为非线性函数优化求解流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明使用任意六位置陀螺仪和加速度计的输出，基于模值法，同时求解零偏与g值敏感系数，完成MEMS陀螺仪g值敏感系数标定。结合图1，具体包括如下步骤：
步骤一：将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置,记录每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的一组数据。
在每一位置处,采集短时间内MEMS陀螺仪和加速度计的输出数据(短时间内可以视为运动状态不变),并保存所采集的数据。
所述加速度计的精度高于所述MEMS陀螺仪。g值敏感误差是MEMS陀螺仪由加速度所引入的测量误差，和载体加速度大小有关，加速度计用于测量载体加速度，精度要求高于陀螺仪。
步骤二：对每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据进行平滑滤波。
通过对每个位置采集的数据进行均值化平滑处理，降低噪声的影响，公式如下：
其中为平滑后的陀螺仪输出，/>为原始采集数据，N为此位置数据总个数。
平滑后的加速度计的输出以相同的方法得到：
因此陀螺仪和加速度的数据可分别记为和/>
步骤三：基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型。
交叉项的敏感系数远小于主轴系数，将其忽略。敏感系数模型如下所示：
其中Gx,Gy,Gz,是待标定参数，/>分为每个位置处地球自转角速率在陀螺仪坐标系b系下x,y,z轴的投影，总共六个观测位置数。对于每个位置有：
其中为地球自转角速率在陀螺仪坐标系b系下的值，wie为地球自转角速率的模值。这就建立了包含陀螺仪g值敏感系数以及陀螺仪零偏的非线性方程，由于该非线性方程有多个待求解参数，因此需要建立非线性方程组才可能求解出所有未知参数。通过测量六个位置静止条件下的陀螺仪及加速度计的输出，就可以建立多个非线性方程构成非线性方程组。对上式进行移项整理，可以将非线性方程组的求解问题转化为非线性函数优化问题，整理后如下:
是由Gx,Gy,Gz,/>组成的一个函数，Gx,Gy,Gz,/>是函数的变量。
使得上式取得最小值的参数即是MEMS陀螺仪待标定参数，采用牛顿迭代算法和PSO算法解决参数求解问题。
结合图2，求解的过程包括：
(1)初始化参数，包括粒子个数，学习因子等。
(2)初始化粒子，包括粒子的初始位置及速度，此处为的初始值和算法的迭代速度。
(3)计算适应度。适应度为用于评价粒子优劣的值。一般设置为目标函数，本发明采用的函数为采用/>的值作为适应度。
(4)更新粒子状态，按照以下式子进行更新；
vi(t+1)＝w·vi(t)+c1·r1(pi(t)-xi(t))+c2·r2(gi(t)-xi(t))
xi(t+1)＝xi(t)+vi(t+1)
其中，w为惯性权值，c1和c2为学习因子，也称为加速度常数，r1和r2是均匀分布于[0,1]上的随机数，vi(t)代表更新前第i个粒子的速度，xi(t)代表更新前第i个粒子的位置，pi(t)代表更新前位置的局部最优位置(即更新前第i个粒子使取得最小值的/>)，gi(t)代表更新前位置的全局最优位置，即更新前所有粒子使/>取得最小值的/>vi(t+1)代表更新后第i个粒子的速度，xi(t+1)代表更新后第i个粒子的位置。
(5)更新适应度；
(6)寻找全局最优粒子。达到迭代次数的全局最优粒子即为参数的最优解。
(7)判断是否达到迭代次数，如果达到，则结束迭代，输出最优解；否则返回步骤(4)。
另一方面提供一种MEMS陀螺仪，g值敏感系数采用所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法标定。
综上所述，本发明涉及一种任意六位置MEMS陀螺仪及其g值敏感系数标定方法，将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，记录每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的一组数据；对每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据进行平滑滤波；基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型；采用平滑滤波后的MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据求解所述g值敏感系数模型，获得g值敏感系数。本发明提供的标定方法可以解决传统MEMS陀螺仪g值敏感系数标定流程复杂，时间长的问题，仅用六个位置求解出g值敏感系数，缩短标定时间，提高MEMS陀螺的精度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，包括：
将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，记录每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的一组数据；
对每个位置MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据进行平滑滤波；
基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型；
采用平滑滤波后的MEMS陀螺仪及加速度计输出的数据求解所述g值敏感系数模型，获得g值敏感系数；
所述g值敏感系数模型为：
其中Gx,Gy,Gz,是待标定参数，/>分为每个位置处地球自转角速率在陀螺仪坐标系b系下x,y,z轴的投影，/>分别为g值敏感系数x、y、z方向的分量；
求解所述g值敏感系数模型，包括使函数值全局最小：
采用牛顿迭代算法和PSO算法使方程最小，从而解出Gx,Gy,Gz,
2.根据权利要求1所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，将MEMS陀螺仪及加速度计置于至少六个不同位置，静止采集数分钟后同步采集MEMS陀螺仪和加速度计的输出数据；所述加速度计的精度高于所述MEMS陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，对每个位置MEMS陀螺仪输出的数据进行平滑滤波包括：
其中为平滑后的MEMS陀螺仪输出，/>为MEMS陀螺仪输出的原始采集数据，N为此位置MEMS陀螺仪输出的原始采集数据总个数。
4.根据权利要求3所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，对每个位置加速度计输出的数据进行平滑滤波包括：
其中为平滑后的加速度计输出，/>为加速度计输出的原始采集数据，N为此位置加速度计输出的原始采集数据总个数。
5.根据权利要求4所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，求解所述g值敏感系数模型，包括：
(1)初始化粒子个数，学习因子；
(2)初始化粒子，包括的初始值作为粒子的初始位置，迭代速度作为粒子的初始速度；
(3)设置为目标函数为计算适应度；
(4)更新粒子状态；
(5)更新适应度；
(6)寻找全局最优粒子；
(7)判断是否达到迭代次数，如果达到，则结束迭代，输出最优解；否则返回步骤(4)。
6.根据权利要求1所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，基于MEMS陀螺仪及加速度计输出关系建立g值敏感系数模型时，忽略交叉项的敏感系数。
7.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，g值敏感系数采用权利要求1-6之一所述的任意六位置MEMS陀螺仪g值敏感系数标定方法标定。
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