CN113916256A - 三轴mems陀螺组合惯性测量单元标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，包括：获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出；获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差；获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏；获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差；对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中无法针对仅含陀螺的惯性测量单元进行标定的技术问题。

Description

三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法。

背景技术

MEMS惯性器件具有体积小、重量轻和功耗小等特点，是未来惯性器件发展的一个方向，利用MEMS惯性器件组成的MEMS惯导系统应用也越来越广泛。但很多应用场景由于成本、体积和应用方向的限制，只需要测量载体的角速率，并不关心加速度，此时可以使用仅含三轴陀螺的惯性测量单元。现有技术中常用的19位置或6位置标定方案均为含有加计的惯性测量单元，无法针对仅含陀螺的惯性测量单元进行标定。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法包括：获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出；根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差；根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏；根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差；根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

进一步地，对于多个温度中的任一温度，根据

获取x陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取y陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取z陀螺的标度因数和安装误差，其中，N_gx1至N_gx30分别为x陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_x为最小二乘得到的常数项；S_gx为x陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgxy＝K_gx1×S_gx，kgxz＝K_gx2×S_gx，K_gx1和K_gx2分别为x陀螺相对于y方向和z方向的安装误差，单位为rad；Ω₁至Ω₃₀分别为30个速率点的转台输入角速率；N_gy1至N_gy30分别为y陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_y为最小二乘得到的常数项；S_gy为y陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgyx＝K_gy1×S_gy，kgyz＝K_gy2×S_gy，K_gy1和K_gy2分别为y陀螺相对于x方向和z方向的安装误差，单位为rad；N_gz1至N_gz30分别为z陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_z为最小二乘得到的常数项；S_gz为z陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgzx＝K_gz1×S_gz，kgzy＝K_gz2×S_gz，K_gz1和K_gz2分别为z陀螺相对于x方向和y方向的安装误差，单位为rad。

进一步地，对于多个温度中的任一温度，根据

获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏，其中，K_gx0为x陀螺的零偏，K_gy0为y陀螺的零偏，K_gz0为z陀螺的零偏，单位为脉冲数/s；N′_gx1至N′_gx6分别为x陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gy1至N′_gy6分别为y陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gz1至N′_gz6分别为z陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值。

进一步地，根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差包括：4.1)根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差分别获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数；4.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差。

进一步地，步骤4.1)包括；根据

误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的温度补偿模型的拟合系数，其中，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4，i＝1表示x陀螺，i＝2表示y陀螺，i＝3表示z陀螺，j＝1表示标度因数，j＝2表示零偏；在i＝1时，j＝3表示x陀螺相对于y方向的安装误差，j＝4表示x陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝2时，j＝3表示y陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示y陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝3时，j＝3表示z陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示z陀螺相对于y方向的安装误差；a_{0 ij}、a_{1 ij}、a_{2 ij}、a_{3 ij}、a_{4 ij}分别表示第i个陀螺第j个标定参数的温度补偿模型的第一至第四拟合系数；T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈分别表示第一至第八温度；y_{ij_1}、y_{ij_2}、y_{ij_3}、y_{ij_4}、y_{ij_5}、y_{ij_6}、y_{ij_7}、y_{ij_8}分别表示第一至第八温度下第i个陀螺的第j个标定参数。

进一步地，步骤4.2)包括：根据y_ij(T)＝a_{0 ij}+a_{1 ij}T_i+a_{2 ij}T_i ²+a_{3 ij}T_i ³+a_{4 ij}T_i ⁴获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差，其中，y_ij分别表示第i个陀螺的经温度补偿后的第j个标定参数；

T_{i_1}、T_{i_2}、T_{i_3}、T_{i_4}、T_{i_5}、T_{i_6}、T_{i_7}、T_{i_8}分别表示在第一至第八温度下第i个陀螺的有效温度平均值。

进一步地，根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量包括：5.1)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数和零偏对陀螺系统脉冲数输出进行补偿；5.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的安装误差通过迭代算法对陀螺系统脉冲数输出进行补偿以获取最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率；5.3)根据最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率获取采样周期内的角度增量。

进一步地，步骤5.1)包括：根据

对陀螺系统脉冲数输出补偿陀螺零偏，并进行标度因数转换，其中，ω_gx、ω_gy和ω_gz分别表示补偿陀螺零偏并转换标度因数后的x陀螺角速率、y陀螺角速率和z陀螺角速率，单位为°/s；N_gx为x陀螺的系统脉冲数输出，N_gy为y陀螺的系统脉冲数输出，N_gz为z陀螺的系统脉冲数输出，T_cy为陀螺系统脉冲数输出的采样频率，S′_gx表示y₁₁；S′_gy表示y₂₁；S′_gz表示y₃₁；K′_gx0表示y₁₂；K′_gy0表示y₂₂；K′_gz0表示y₃₂。

进一步地，步骤5.2)包括：根据

对陀螺系统脉冲数输出进行补偿以获取最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率，其中，K′_gx1表示y₁₃；K′_gx2表示y₁₄；K′_gy1表示y₂₃；K′_gy2表示y₂₄；K′_gz1表示y₃₃；K′_gz2表示y₃₄；ω_x、ω_y和ω_z分别表示最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率。

进一步地，步骤5.3)包括：根据

获取采样周期内的角度增量，其中，dθ为陀螺仪采样周期内的角度增量，单位为°。

应用本发明的技术方案，提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法通过获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿，能够实现对三轴MEMS陀螺组合测量单元的精确标定。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无法针对仅含陀螺的惯性测量单元进行标定的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法包括：获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出；根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差；根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏；根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差经温度补偿后的输出值；根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

应用此种配置方式，提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法通过获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿，能够实现对三轴MEMS陀螺组合测量单元的精确标定。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无法针对仅含陀螺的惯性测量单元进行标定的技术问题。

进一步地，在本发明中，为了实现三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定，首先获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出。

作为本发明的一个具体实施例，获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出具体包括：

1.1)将陀螺组合惯性测量单元安装在带恒温箱的转台上，设置恒温箱处于第一温度。在该实施例中，可通过标定工装将陀螺组合惯性测量单元安装在带恒温箱的转台上，以此实现对陀螺组合的温度控制。在该实施例中，对陀螺组合惯性测量单元的安装还包括将陀螺组合惯性测量单元连接至测试电缆，并检查陀螺组合惯性测量单元设置是否正确，调整转台为水平状态。通过上述安装处理可以保证后续测试数据的正确性。

1.2)调整转台使得陀螺组合惯性测量单元的X、Y和Z轴分别指向东向、地向和北向，陀螺组合惯性测量单元上电。在该实施例中，通过调整转台使得陀螺组合测量单元处于第一位置以对陀螺组合测量单元进行校准，便于后续数据的准确测量。

1.3)待陀螺组合惯性测量单元输出稳定后，按预设采样周期和采样时长采集陀螺的脉冲数输出和陀螺有效温度。在该实施例中，可通过启动计算机采样程序对陀螺的脉冲数输出和陀螺有效温度进行采集。采样周期和采样时长可根据实际标定需要进行调整，例如采样周期可以设置为5、8、10或15ms等，采样时长可以设置为50、60、65或70s等。在具体实施例中，采样周期可设置为5ms，采样时长可设置为60s。在该实施例中，陀螺有效温度以试验时实际测试为准。在后续计算中通过求取在采样时长中多次采集的陀螺的脉冲数输出的平均值和陀螺有效温度的平均值进行计算。

1.4)依次调整转台使得陀螺组合惯性测量单元的XYZ轴依次指向北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向，在每次调整陀螺组合惯性测量单元的位置后等待陀螺组合惯性测量单元输出稳定，按预设采样周期和采样时长采集陀螺的脉冲数输出。

在该实施例中，通过对陀螺组合惯性测量单元位置的调整可获取陀螺组合惯性测量单元在不同位置处的脉冲数输出，以此为基础进行三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。在该实施例中，陀螺组合惯性测量单元的六个位置依次设置为东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向，如表1所示。

表1同一温度下陀螺组合惯性测量单元的六个位置试验表

1.5)陀螺组合惯性测量单元断电。

1.6)调整转台使得陀螺组合惯性测量单元的X轴指向天。

1.7)陀螺组合惯性测量单元上电，待陀螺组合惯性测量单元工作稳定后，控制转台先后以不同速率点进行转动，待转台在某一速率下平稳转动后，按预设采样周期和采样时长采集陀螺的脉冲数输出直至获取全部速率点下的脉冲数输出，陀螺组合惯性测量单元断电。

作为本发明的一个具体实施例，转台可按照如表2所示速率和采样时间进行陀螺的脉冲数输出采集，即转台在30个不同速率点下进行陀螺的脉冲数输出采集，各速率点的设置顺序可根据实际操作的便利性调整。

表2高低温速率点和采样时间

速率点ω(°/s)	采样时间t(s)
		±0.5	30
±1	30
		±2	30
±5	30
		±10	30
±15	30
		±20	30
±50	30
		±100	13
±150	13
		±200	13
±250	13
		±300	13
±350	13
		±400	13

1.8)调整转台使得陀螺组合惯性测量单元的Y轴指向天，重复步骤1.7)。

1.9)调整转台使得陀螺组合惯性测量单元的Z轴指向天，重复步骤1.7)。

1.10)依次调整恒温箱处于第二温度至第n温度，在每次调整恒温箱的温度后重复步骤1.2)至步骤1.9)，直至完成全部温度下的陀螺脉冲数输出，n为整数。在该实施例中，为了提高三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定精度，恒温箱的温度调整可设置为八组，从第一温度至第八温度可依次设置为75℃、60℃、40℃、25℃、10℃、-5℃、-20℃和-40℃。

进一步地，在本发明中，在获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出后，根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差。

作为本发明的一个具体实施例，对步骤一中设置的多个温度中的任一温度，根据三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取该温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差，具体包括：

对于x陀螺，根据模型方程

获取x陀螺的标度因数和安装误差，其中，N_gx1至N_gx30分别为x陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_x为最小二乘得到的常数项；S_gx为x陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgxy＝K_gx1×S_gx，kgxz＝K_gx2×S_gx，K_gx1和K_gx2分别为x陀螺相对于y方向和z方向的安装误差，单位为rad；Ω₁至Ω₃₀分别为表2所示30个速率点的转台输入角速率。

在该实施例的计算过程中，可将上述公式写成矩阵形式为

其中，

则参数向量

的最佳估值为

同样的，对y陀螺，根据模型方程

获取y陀螺的标度因数和安装误差，其中，N_gy1至N_gy30分别为y陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_y为最小二乘得到的常数项；S_gy为y陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgyx＝K_gy1×S_gy，kgyz＝K_gy2×S_gy，K_gy1和K_gy2分别为y陀螺相对于x方向和z方向的安装误差，单位为rad。

在该实施例的计算过程中，可将上述公式写成矩阵形式为

其中，

则参数向量

的最佳估值为

同样的，对z陀螺，根据模型方程

获取z陀螺的标度因数和安装误差，其中，N_gz1至N_gz30分别为z陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_z为最小二乘得到的常数项；S_gz为z陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgzx＝K_gz1×S_gz，kgzy＝K_gz2×S_gz，K_gz1和K_gz2分别为z陀螺相对于x方向和y方向的安装误差，单位为rad。

在该实施例的计算过程中，可将上述公式写成矩阵形式为

其中，

则参数向量

的最佳估值为

此外，在获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差后，根据在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏。

作为本发明的一个具体实施例，对步骤一中设置的多个温度中的任一温度，根据三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取该温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏，具体包括：

根据

获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏，其中，K_gx0为x陀螺的零偏，K_gy0为y陀螺的零偏，K_gz0为z陀螺的零偏，单位为脉冲数/s；N′_gx1至N′_gx6分别为x陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gy1至N′_gy6分别为y陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gz1至N′_gz6分别为z陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值。在本发明中，由于陀螺在六个位置时指东西南北天地各一次，敏感到的地球自转分量分别抵消，总和为0。

进一步地，在本发明中，在获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差后，根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差。

此外，在本发明中，根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差包括：

4.1)根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差分别获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数；

作为本发明的一个具体实施例，步骤4.1)具体包括；根据

误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的温度补偿模型的拟合系数，其中，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4，i＝1表示x陀螺，i＝2表示y陀螺，i＝3表示z陀螺，j＝1表示标度因数，j＝2表示零偏；在i＝1时，j＝3表示x陀螺相对于y方向的安装误差，j＝4表示x陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝2时，j＝3表示y陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示y陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝3时，j＝3表示z陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示z陀螺相对于y方向的安装误差；a_{0 ij}、a_{1 ij}、a_{2 ij}、a_{3 ij}、a_{4 ij}分别表示第i个陀螺第j个标定参数的温度补偿模型的第一至第四拟合系数；

T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈分别表示第一至第八温度；

y_{ij_1}、y_{ij_2}、y_{ij_3}、y_{ij_4}、y_{ij_5}、y_{ij_6}、y_{ij_7}、y_{ij_8}分别表示第一至第八温度下第i个陀螺的第j个标定参数。在该实施例中，第一至第八温度分别为75℃、60℃、40℃、25℃、10℃、-5℃、-20℃和-40℃。

具体可举例，a_{0 11}、a_{1 11}、a_{2 11}、a_{3 11}、a_{4 11}分别表示x陀螺标度因数的温度补偿模型的第一至第四拟合系数；y_{11_1}、y_{11_2}、y_{11_3}、y_{11_4}、y_{11_5}、y_{11_6}、y_{11_7}、y_{11_8}分别表示步骤二中获取的75℃、60℃、40℃、25℃、10℃、-5℃、-20℃、-40℃下x陀螺的标度因数。

4.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差。

作为本发明的一个具体实施例，步骤4.2)具体包括：根据y_ij(T)＝a_{0 ij}+a_{1 ij}T_i+a_{2 ij}T_i ²+a_{3 ij}T_i ³+a_{4 ij}T_i ⁴获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差，其中，y_ij分别表示第i个陀螺的经温度补偿后的第j个标定参数；

T_{i_1}、T_{i_2}、T_{i_3}、T_{i_4}、T_{i_5}、T_{i_6}、T_{i_7}、T_{i_8}分别表示在第一至第八温度下第i个陀螺的有效温度平均值。具体可举例，y₁₁分别表示x陀螺的经温度补偿后的标度因数，T_{1_1}表示在75℃下x陀螺的有效温度平均值。

此外，在本发明中，在获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差后，根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

进一步地，在本发明中，根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的速度增量具体包括：

5.1)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数和零偏对陀螺系统脉冲数输出进行补偿。

作为本发明的一个具体实施例，根据

对陀螺系统脉冲数输出补偿陀螺零偏，并进行标度因数转换，其中，ω_gx、ω_gy和ω_gz分别表示补偿陀螺零偏并转换标度因数后的x陀螺角速率、y陀螺角速率和z陀螺角速率，单位为°/s；N_gx为x陀螺的系统脉冲数输出，N_gy为y陀螺的系统脉冲数输出，N_gz为z陀螺的系统脉冲数输出，T_cy为陀螺系统脉冲数输出的采样频率，S′_gx表示y₁₁，即x陀螺的经温度补偿后的标度因数；S′_gy表示y₂₁，即y陀螺的经温度补偿后的标度因数；S′_gz表示y₃₁，即z陀螺的经温度补偿后的标度因数；K′_gx0表示y₁₂，即x陀螺的经温度补偿后的零偏；K′_gy0表示y₂₂，即y陀螺的经温度补偿后的零偏；K′_gz0表示y₃₂，即z陀螺的经温度补偿后的零偏。

5.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的安装误差通过迭代算法对陀螺系统脉冲数输出进行补偿以获取最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率。在本发明中，迭代次数可根据需要进行调整。

作为本发明的一个具体实施例，迭代次数可设置为三次，迭代初值设置为零，三次迭代能够保证在尽量少的运算量的同时保证补偿精度。具体地，可根据

对陀螺系统脉冲数输出进行补偿，其中，K′_gx1表示y₁₃，即x陀螺相对于y方向的安装误差；K′_gx2表示y₁₄，即x陀螺相对于z方向的安装误差；K′_gy1表示y₂₃，即y陀螺相对于x方向的安装误差；K′_gy2表示y₂₄，即y陀螺相对于z方向的安装误差；K′_gz1表示y₃₃，即z陀螺相对于x方向的安装误差；K′_gz2表示y₃₄，即z陀螺相对于y方向的安装误差；ω_x、ω_y和ω_z分别表示最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率。

5.3)根据最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

作为本发明的一个具体实施例，可根据

获取采样周期内的角度增量，其中，dθ为陀螺仪采样周期内的角度增量，单位为°。在本发明中，在算法输出时可将上述单位转换为rad。

本发明的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，针对仅包含三轴MEMS陀螺组合的惯性测量单元进行标定补偿，标定方法中不涉及加速度，能够减少标定补偿的计算量，同时保证了三轴陀螺组合的精确标定以及使用过程中的测量精度。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法进行详细说明。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法具体包括以下步骤。

步骤一，获取在八组不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出。

步骤二，对八组不同温度中的任一温度，均根据三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差。其中，对八组不同温度中的任一温度，

根据

获取x陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取y陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取z陀螺的标度因数和安装误差；

步骤三，对八组不同温度中的任一温度，均根据三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏。其中，对八组不同温度中的任一温度，

根据

获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏。

步骤4.1)，根据

误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的温度补偿模型的拟合系数。

步骤4.2)，根据y_ij(T)＝a_{0 ij}+a_{1 ij}T_i+a_{2 ij}T_i ²+a_{3 ij}T_i ³+a_{4 ij}T_i ⁴获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差。

步骤5.1)，根据

对陀螺系统脉冲数输出补偿陀螺零偏，并进行标度因数转换。

步骤5.2)，根据

对陀螺系统脉冲数输出进行补偿。

步骤5.3)，根据

获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

综上所述，本发明提供了一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，该三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法通过获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿，能够实现对三轴MEMS陀螺组合测量单元的精确标定。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中无法针对仅含陀螺的惯性测量单元进行标定的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法包括：

获取在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出，以及在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出；

根据所述在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的X轴、Y轴和Z轴分别指天时在多个不同转速下的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数和安装误差；

根据所述在多个不同温度下三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元在六个不同位置处的陀螺脉冲数输出获取每个温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏；

根据所述在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差；

根据所述x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量以完成三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元的标定。

2.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，对于多个温度中的任一温度，根据

获取x陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取y陀螺的标度因数和安装误差，根据

获取z陀螺的标度因数和安装误差，其中，N_gx1至N_gx30分别为x陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_x为最小二乘得到的常数项；S_gx为x陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(o/s)；kgxy＝K_gx1×S_gx，kgxz＝K_gx2×S_gx，K_gx1和K_gx2分别为x陀螺相对于y方向和z方向的安装误差，单位为rad；Ω₁至Ω₃₀分别为30个速率点的转台输入角速率；N_gy1至N_gy30分别为y陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_y为最小二乘得到的常数项；S_gy为y陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(o/s)；kgyx＝K_gy1×S_gy，kgyz＝K_gy2×S_gy，K_gy1和K_gy2分别为y陀螺相对于x方向和z方向的安装误差，单位为rad；N_gz1至N_gz30分别为z陀螺在当前速率点下脉冲数输出平均值，单位为脉冲数；B_z为最小二乘得到的常数项；S_gz为z陀螺的标度因数，单位为(脉冲数/s)/(°/s)；kgzx＝K_gz1×S_gz，kgzy＝K_gz2×S_gz，K_gz1和K_gz2分别为z陀螺相对于x方向和y方向的安装误差，单位为rad。

3.根据权利要求2所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，对于多个温度中的任一温度，根据

获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的零偏，其中，K_gx0为x陀螺的零偏，K_gy0为y陀螺的零偏，K_gz0为z陀螺的零偏，单位为脉冲数/s；N′_gx1至N′_gx6分别为x陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gy1至N′_gy6分别为y陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值，N′_gz1至N′_gz6分别为z陀螺在东地北向、北天东向、南东天向、西北地向、天西南向和地南西向的陀螺脉冲数输出平均值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差包括：

4.1)根据在多个不同温度下的x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差分别获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数；

4.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺的标度因数、零偏和安装误差的温度补偿模型的拟合系数获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差。

5.根据权利要求4所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，所述步骤4.1)包括；根据

误差获取x陀螺、y陀螺和z陀螺的温度补偿模型的拟合系数，其中，i＝1,2,3，j＝1,2,3,4，i＝1表示x陀螺，i＝2表示y陀螺，i＝3表示z陀螺，j＝1表示标度因数，j＝2表示零偏；在i＝1时，j＝3表示x陀螺相对于y方向的安装误差，j＝4表示x陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝2时，j＝3表示y陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示y陀螺相对于z方向的安装误差；在i＝3时，j＝3表示z陀螺相对于x方向的安装误差，j＝4表示z陀螺相对于y方向的安装误差；a_0ij、a_1ij、a_2ij、a_3ij、a_4ij分别表示第i个陀螺第j个标定参数的温度补偿模型的第一至第四拟合系数；T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈分别表示第一至第八温度；y_{ij_1}、y_{ij_2}、y_{ij_3}、y_{ij_4}、y_{ij_5}、y_{ij_6}、y_{ij_7}、y_{ij_8}分别表示第一至第八温度下第i个陀螺的第j个标定参数。

6.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，所述步骤4.2)包括：根据y_ij(T)＝a_0ij+a_1ijT_i+a_2ijT_i ²+a_3ijT_i ³+a_4ijT_i ⁴获取x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差，其中，y_ij分别表示第i个陀螺的经温度补偿后的第j个标定参数；

T_{i_1}、T_{i_2}、T_{i_3}、T_{i_4}、T_{i_5}、T_{i_6}、T_{i_7}、T_{i_8}分别表示在第一至第八温度下第i个陀螺的有效温度平均值。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数、零偏和安装误差对x陀螺、y陀螺和z陀螺的系统脉冲数输出进行补偿计算获取采样周期内的角度增量包括：

5.1)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的标度因数和零偏对陀螺系统脉冲数输出进行补偿；

5.2)根据x陀螺、y陀螺和z陀螺经温度补偿后的安装误差通过迭代算法对陀螺脉系统冲数输出进行补偿以获取最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率；

5.3)根据所述最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率获取采样周期内的角度增量。

8.根据权利要求7所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，步骤5.1)包括：根据

对陀螺系统脉冲数输出补偿陀螺零偏，并进行标度因数转换，其中，ω_gx、ω_gy和ω_gz分别表示补偿陀螺零偏并转换标度因数后的x陀螺角速率、y陀螺角速率和z陀螺角速率，单位为°/s；N_gx为x陀螺的系统脉冲数输出，N_gy为y陀螺的系统脉冲数输出，N_gz为z陀螺的系统脉冲数输出，T_cy为陀螺系统脉冲数输出的采样频率，S′_gx表示y₁₁；S′_gy表示y₂₁；S′_gz表示y₃₁；K′_gx0表示y₁₂；K′_gy0表示y₂₂；K′_gz0表示y₃₂。

9.根据权利要求8所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，步骤5.2)包括：根据

对陀螺系统脉冲数输出进行补偿，其中，K′_gx1表示y₁₃；K′_gx2表示y₁₄；K′_gy1表示y₂₃；K′_gy2表示y₂₄；K′_gz1表示y₃₃；K′_gz2表示y₃₄；ω_x、ω_y和ω_z分别表示最终补偿后的x角速率、y角速率和z角速率。

10.根据权利要求9所述的三轴MEMS陀螺组合惯性测量单元标定方法，其特征在于，步骤5.3)包括：根据

获取采样周期内的角度增量，其中，dθ为陀螺仪采样周期内的角度增量，单位为°。

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