CN115406467B - 一种mems陀螺自动标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陀螺仪技术领域，提供了一种MEMS陀螺自动标定方法，包括建立基于环境磁场的磁场坐标系，并进行网格化处理，得到网格化静态磁场空间模型；在网格化静态磁场空间模型中搭建陀螺设备的静态初始姿态，并确定陀螺设备三维坐标集合；将陀螺设备在环境磁场中通过预设加速度运行，确定实时观测数据；根据预设加速度和静态初始姿态，确定理想观测数据并与实时观测数据对比，标定陀螺误差。本发明的优势在于能够基于精确的判断陀螺设备的误差，能够判断在磁场环境中陀螺设备的运行数据，通过运行数据在与仿真环境中的期望观测数据进行对比，从而确定最终的陀螺误差进行误差标定。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种MEMS陀螺自动标定方法。
背景技术
近年来，微机电技术迅速发展，微机械陀螺的应用也越加广泛，MEMS陀螺是一种微机械陀螺，其具有成本低、尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点。
MEMS陀螺应用在很多的消费类电子产品中，例如手机、游戏设备、可穿戴设备、AR设备或VR设备等。
但是，MEMS陀螺会存在误差，而且在逐次上电的过程中具有不稳定性，其稳定性随着运行环境的变化，其性能也会产生一定的变化。所以，就算是对MEMS陀螺进行了实验室标定，还是可能存在明显的陀螺误差。在现有的使用过程中，MEMS陀螺会将其误差进行不断地累积，从而导致误差不断地增大。
在现有技术中，对于MEMS陀螺误差的标定，通常采用的实验室标定的方式，同时需要用户人工干预，所以误差标定的并不精确。而且在标定误差时，每次使用前需要用户将MEMS陀螺设备保持静态，现有技术只能在实验室中人工制造静态磁场，但是与现实环境不同，所以MEMS陀螺的误差标定在现实环境中并不一定适用，因此需要一种能结合现实环境因素的MEMS陀螺标定方法。
发明内容
本发明提供一种MEMS陀螺自动标定方法，用以解决无法标定陀螺比例因子误差，同时需要用户人工干预，影响用户体验。而且每次使用导航前要求用户将设备保持静态或准静态以标定陀螺也不现实的情况。
本发明提供了一种MEMS陀螺自动标定方法，包括：
建立基于环境磁场的磁场坐标系，并进行网格化处理，得到网格化静态磁场空间模型；
在网格化静态磁场空间模型中搭建陀螺设备的静态初始姿态，并确定陀螺设备三维坐标集合；
将陀螺设备在环境磁场中通过预设加速度运行，确定实时观测数据；
根据预设加速度和静态初始姿态，确定理想观测数据并与实时观测数据对比，根据对比结果，标定陀螺误差。
所述方法还包括：
在环境磁场中设置磁强计量设备，确定环境磁场强度的变化数据；
根据环境磁场的变化数据，确定当前环境磁场的变化周期，并将变化周期的初始时间点的初始环境磁场作为静态磁场；
根据初始环境磁场，建立导航坐标系；
根据导航坐标系，进行磁场模拟，生成基于环境磁场的磁场坐标系。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
获取环境磁场的磁场数据；其中，
磁场数据包括导航坐标系原点的经纬度以及磁力线在导航坐标系下的坐标；
根据导航坐标系原点的经纬度，得到导航坐标系原点的空间模拟坐标系；
根据导航坐标系原点的空间模拟坐标系以及磁力线在导航坐标系下的坐标，得到具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系；
根据具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系，进行磁场坐标的高斯投影，生成导航坐标系。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
对磁场坐标系进行按照经度和纬度进行标记，生成磁场坐标系的经纬度图像；
对经纬度图像进行网格化处理，得到网格化经纬度图像影像，获取并存储格化经纬度图像影像中每个网格的坐标值；
对于网格化经纬度图像影像的每个像元，获取其所属的网格，并利用所属的网格和其周边的网格中的坐标值，通过插值处理得到每个网格的高程值；
并将高程值作为网格序号。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
确定待仿真环境磁场范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的配准点；
基于待仿真环境磁场范围确定仿真空间范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的仿真配准点，其中，
所述仿真配准点与网格的配准点配准设置；
根据仿真配准点和每个网格的配准点，生成网格化静态磁场空间模型。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
通过相机在环境磁场中采集陀螺设备在环境磁场中的场景图像；
根据场景图像，确定陀螺设备的载体姿态，并计算陀螺设备的真实矢量方向；
根据载体姿态，将陀螺设备的真实矢量方向投影至网格化静态磁场空间模型中；
在网格化静态磁场空间模型确定陀螺设备的轮廓坐标点；
根据轮廓坐标点，在网格化静态磁场空间模型中生成陀螺设备的静态初始姿态。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
根据网格化静态磁场空间模型，对陀螺设备的轮廓坐标点进行提取；
确定每个轮廓坐标点所在的网格；
通过网格序号将对应网格内的轮廓坐标点进行统计，确定每个网格的坐标点；
根据每个网格的坐标点，生成陀螺设备三维坐标集合。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
将陀螺设备在环境磁场中通过离心机进行加速，确定离心机的加速序列和陀螺设备的加速度敏感向量和陀螺设备的加速度向量；
根据离心机的加速度序列、陀螺设备的加速度敏感向量和加速度向量之间的数学关系，生成陀螺设备的加速矩阵；
通过加速矩阵，确定陀螺设备的实时观测数据。
作为本发明的一种可选实施例：所述方法还包括：
根据实时观测数据，确定离心机的加速曲线和陀螺设备的速度变化曲线；
根据离心机的加速曲线，在网格化静态磁场空间模型设置陀螺设备在每一时刻的加速度参数，确定空间加速曲线；
将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差。
作为本发明的一种可选实施例：所述将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差包括：
将空间加速曲线和实时观测数据按照时间点进行划分，确定每一时间点陀螺设备的空间加速参数和观测参数
分别生成基于时间的空间加速序列和观测加速序列；
将空间加速序列和观测加速序列进行函数转化，生成空间加速函数和观测加速函数；
将空间加速函数和观测加速函数进行拟合计算，确定拟合差值。
本发明有益效果在于：本发明能够基于精确的判断陀螺设备的误差，能够判断在磁场环境中陀螺设备的运行数据，通过运行数据在与仿真环境中的期望观测数据进行对比，从而确定最终的陀螺误差进行误差标定。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种MEMS陀螺自动标定方法的方法流程图；
图2为本发明实施例中磁场坐标系的生成流程；
图3为本发明实施例中网格序号生成流程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种MEMS陀螺自动标定方法，包括：
建立基于环境磁场的磁场坐标系，并进行网格化处理，得到网格化静态磁场空间模型；
在网格化静态磁场空间模型中搭建陀螺设备的静态初始姿态，并确定陀螺设备三维坐标集合；
将陀螺设备在环境磁场中通过预设加速度运行，确定实时观测数据；
根据预设加速度和静态初始姿态，确定理想观测数据并与实时观测数据对比，标定陀螺误差。
上述技术方案的原理在于：如附图1所示，本发明是一种基于空间仿真的MEMS陀螺自动标定方法。在本发明中，本发明会将当前环境中的陀螺设备的运行参数和理想空间中陀螺设备的运行参数进行对比，判断运行参数之间的差值，通过运行参数之间的误差，确定MEMS陀螺的陀螺误差。在本发明的实时过程中，磁场坐标系是为了模拟环境磁场，而网格化处理，是为了让陀螺在进行旋转的时候，得到的误差更加的精细，从而得到网格化静态磁场空间模型；然后将陀螺设备的初始姿态设置在网格化静态磁场空间模型，确定初始的三维坐标；在通过陀螺设备在环境磁场中的运行数据，得到实时的观测数据，通过实时的观测数据和理想观测数据对比拟合，确定误差，在这个情况下，理想观测数据通过实施观测数据的陀螺设备的驱动参数进行驱动，本发明也可以适用于在线的MEMS陀螺自动标定，相对于现有技术中的实验室标定，能够实现在线的误差标定，使得电子设备能够实现在线精确导航。
上述技术方案的有益效果在于：本发明能够基于精确的判断陀螺设备的误差，能够判断在磁场环境中陀螺设备的运行数据，通过运行数据在与仿真环境中的期望观测数据进行对比，从而确定最终的陀螺误差进行误差标定。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
在环境磁场中设置磁强计量设备，确定环境磁场强度的变化数据；
根据环境磁场的变化数据，确定当前环境磁场的变化周期，并将变化周期的初始时间点的初始环境磁场作为静态磁场；
根据初始环境磁场，建立导航坐标系；
根据导航坐标系，进行磁场模拟，生成基于环境磁场的磁场坐标系。
上述技术方案中，如附图2所示，本发明在环境磁场中通过磁场计量设备对环境磁场进行检测，确定环境磁场的经纬度数据，以及经纬度强度的变化数据，确定整体的变化周期，然后在变化周期的初始时间点作为静态磁场，然后通过静态磁场的实现磁场模拟，磁场模拟，就是在存在经纬度的坐标系的情况下，生成更加符合地球环境的磁场坐标系，让检测结果更加真实，生成能够进行陀螺设备检测的磁场数据。在上述过程中，磁场计量设备为高精密的磁场探测仪，具备中心磁场测绘、自动寻找磁场、定位磁场中心、磁场漂移测试、磁场分析和自动匀场多种磁场计量功能，进而能够实现磁场测绘，确定磁场强度等功能，磁场在一般情况下变化是一个非常缓慢的速度，但是，本发明是一个为了进行MEMS陀螺自动标定的试验测量场景，所以磁场是人为生成的，这个磁场可能是固定磁场，也可能是变化磁场，所以本发明中为了简化检测流程，但是不改变测量结果，所以将环境磁场的变化初期的初始时间点作为初始环境磁场的静态磁场，通过在静态磁场中构建坐标系，即导航坐标系和磁场拟合，生成磁场坐标系，这个磁场坐标系融合了导航坐标系和静态磁场，进而能够更加符合现实环境，因此，在计算陀螺的误差的时候，更加符合环境磁场中测量的误差，从而得到的误差更加精确。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
获取环境磁场的磁场数据；其中，
磁场数据包括导航坐标系原点的经纬度以及磁力线在导航坐标系下的坐标；
根据导航坐标系原点的经纬度，得到导航坐标系原点的空间模拟坐标系；
根据导航坐标系原点的空间模拟坐标系以及磁力线在导航坐标系下的坐标，得到具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系；
根据具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系，进行磁场坐标的高斯投影，生成导航坐标系。
上述技术方案的原理在于：在建立导航坐标系的过程中，本发明会基于环境磁场，将磁场数据中通过导航坐标系的经纬度转换，生成导航坐标系的坐标。通过导航坐标系的经纬度，确定生成环境空间模拟坐标系，通过环境空间模拟坐标系进行高斯投影，生成网格化静态磁场空间模型中的导航坐标系。导航坐标系就是经纬度坐标系，导航坐标系和磁场具有一定的磁偏角，本发明构建导航坐标系，是为了让磁场坐标系更加符合地球的环境，因为MEMS陀螺的工作环境是属于地球磁场，在这个过程中，磁力线构成环境磁场，所以在这个过程中，通过导航坐标系融合磁力线构成环境空间模拟坐标系，高斯投影又叫做等角横切椭圆柱投影，这种投影方式最大的优点在于，能够实现地球椭球面和平面间正形投影，从而更加符合环境状态，在投影过程中，只投影环境磁场这一部分，而不是地球的整体磁场。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
对磁场坐标系进行按照经度和纬度进行标记，生成磁场坐标系的经纬度图像；
对经纬度图像进行网格化处理，得到网格化经纬度图像影像，获取并存储格化经纬度图像影像中每个网格的坐标值；
对于网格化经纬度图像影像的每个像元，获取其所属的网格，并利用所属的网格和其周边的网格中的坐标值，通过插值处理得到每个网格的高程值；
并将高程值作为网格序号。
上述技术方案的原理在于：如附图3所示，本发明还会在网格化之后，对网格化数据进行经纬度的标记，生成磁场坐标系的经纬度图像，然后通过经纬度图像的网格化处理，将每个网格作为一个像元，并且基于插值处理，得到网格的高程值，从而将高程值作为每个网格的网格序号。为了让仿真得到的MEMS陀螺在静态磁场空间中没有偏差，本发明会进行经纬度标记，标记之后，能够在具体的经纬度数据上确定MEMS陀螺的位置，网格化处理，可以通过多个网格的单独计算，判断在静态磁场空间中是不是存在偏差。网格化处理，就是按照经纬度对磁场坐标系进行网格化划分，从而能够对每个网格进行单独计算，判断在整体的MEMS陀螺仿真的时候是不是存在仿真的偏差。这也可以使得最对MEMS陀螺自动标定的时候更加准确。每个网格的坐标值，也代表每个网格所处的区域的坐标集合，像元是预先确定的MEMS陀螺可能仿真的区域，
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
确定待仿真环境磁场范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的配准点；
基于待仿真环境磁场范围确定仿真空间范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的仿真配准点，其中，
所述仿真配准点与网格的配准点配准设置；
根据仿真配准点和每个网格的配准点，生成网格化静态磁场空间模型。
上述技术方案的原理在于：
本发明能够确定磁场的整体范围，然后在仿真的时候，将每个网格在仿真环境磁场范围内进行配准，通过配准确定每个网格的配准点，将网格配准点和仿真的配准点配准之后，生成网格化静态磁场空间模型。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过相机在环境磁场中采集陀螺设备在环境磁场中的场景图像；
根据场景图像，确定陀螺设备的载体姿态，并计算陀螺设备的真实矢量方向；
根据载体姿态，将陀螺设备的真实矢量方向投影至网格化静态磁场空间模型中；
在网格化静态磁场空间模型确定陀螺设备的轮廓坐标点；
根据轮廓坐标点，在网格化静态磁场空间模型中生成陀螺设备的静态初始姿态。
上述技术方案的原理在于：本发明在将陀螺设备往网格化静态磁场空间模型中进行静态初始姿态标记的时候，会确定陀螺设备的载体姿态和矢量方向，通过投影的方式将真实矢量进行投影，从而在网格化静态磁场空间模型中生成陀螺设备的静态初始姿态，实现陀螺设备的仿真。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
根据网格化静态磁场空间模型，对陀螺设备的轮廓坐标点进行提取；
确定每个轮廓坐标点所在的网格；
通过网格序号将对应网格内的轮廓坐标点进行统计，确定每个网格的坐标点；
根据每个网格的坐标点，生成陀螺设备三维坐标集合。
上述技术方案的原理在于：本发明能够在网格化静态磁场空间模型对陀螺设备进行仿真的时候，会对陀螺设备的轮廓坐标点进行统计，为了在陀螺设备进行曲线拟合的时候，会确定每个网格的坐标点，通过对每个网格坐标点的统计，生成三维坐标集合，从而生成陀螺设备的整体结构。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
将陀螺设备在环境磁场中通过离心机进行加速，确定离心机的加速序列和陀螺设备的加速度敏感向量和陀螺设备的加速度向量；
根据离心机的加速度序列、陀螺设备的加速度敏感向量和加速度向量之间的数学关系，生成陀螺设备的加速矩阵；
通过加速矩阵，确定陀螺设备的实时观测数据。
上述技术方案的原理在于：本发明中实时观测数据是通过陀螺设备在磁场环境中进行加速得到。在这个过程中，首先需要确定陀螺设备在加速状态下的数据，本发明通过以加速矩阵的方式，对陀螺设备进行实时观测，从而确定实时观测数据。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
根据实时观测数据，确定离心机的加速曲线和陀螺设备的速度变化曲线；
根据离心机的加速曲线，在网格化静态磁场空间模型设置陀螺设备在每一时刻的加速度参数，确定空间加速曲线；
将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差。
上述技术方案的原理在于：本发明是以曲线拟合的方式进行标定陀螺设备的误差。在这个过程中，会确定离心机在对陀螺设备加速过程中的速度变化曲线，通过速度变化曲线，对每一时刻陀螺设备进行加速，最后将加速的理想数据和实时观测的实际运行数据对比，确定陀螺设备的误差。
作为本发明的一种实施例：所述将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差包括：
将空间加速曲线和实时观测数据按照时间点进行划分，确定每一时间点陀螺设备的空间加速参数和观测参数；
分别生成基于时间的空间加速序列和观测加速序列；
将空间加速序列和观测加速序列进行函数转化，生成空间加速函数和观测加速函数；
将空间加速函数和观测加速函数进行拟合计算，确定拟合差值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，包括：
建立基于环境磁场的磁场坐标系，并进行网格化处理，得到网格化静态磁场空间模型；
在网格化静态磁场空间模型中搭建陀螺设备的静态初始姿态，并确定陀螺设备三维坐标集合；
将陀螺设备在环境磁场中通过预设加速度运行，确定实时观测数据；
根据预设加速度和静态初始姿态，确定理想观测数据并与实时观测数据对比，根据对比结果，标定陀螺误差；
所述方法还包括：
对磁场坐标系进行按照经度和纬度进行标记，生成磁场坐标系的经纬度图像；
对经纬度图像进行网格化处理，得到网格化经纬度图像影像，获取并存储网格化经纬度图像影像中每个网格的坐标值；
对于网格化经纬度图像影像的每个像元，获取其所属的网格，并利用所属的网格和其周边的网格中的坐标值，通过插值处理得到每个网格的高程值；
并将高程值作为网格序号；
所述方法还包括：
确定待仿真环境磁场范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的配准点；
基于待仿真环境磁场范围确定仿真空间范围，并在待仿真环境磁场范围内确定每个网格的仿真配准点，其中，
所述仿真配准点与网格的配准点配准设置；
根据仿真配准点和每个网格的配准点，生成网格化静态磁场空间模型。
2.如权利要求1所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
在环境磁场中设置磁强计量设备，确定环境磁场强度的变化数据；
根据环境磁场的变化数据，确定当前环境磁场的变化周期，并将变化周期的初始时间点的初始环境磁场作为静态磁场；
根据初始环境磁场，建立导航坐标系；
根据导航坐标系，进行磁场模拟，生成基于环境磁场的磁场坐标系。
3.如权利要求2所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取环境磁场的磁场数据；其中，
磁场数据包括导航坐标系原点的经纬度以及磁力线在导航坐标系下的坐标；
根据导航坐标系原点的经纬度，得到导航坐标系原点的空间模拟坐标系；
根据导航坐标系原点的空间模拟坐标系以及磁力线在导航坐标系下的坐标，得到具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系；
根据具有磁力线坐标的环境空间模拟坐标系，进行磁场坐标的高斯投影，生成导航坐标系。
4.如权利要求1所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过相机在环境磁场中采集陀螺设备在环境磁场中的场景图像；
根据场景图像，确定陀螺设备的载体姿态，并计算陀螺设备的真实矢量方向；
根据载体姿态，将陀螺设备的真实矢量方向投影至网格化静态磁场空间模型中；
在网格化静态磁场空间模型确定陀螺设备的轮廓坐标点；
根据轮廓坐标点，在网格化静态磁场空间模型中生成陀螺设备的静态初始姿态。
5.如权利要求1所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据网格化静态磁场空间模型，对陀螺设备的轮廓坐标点进行提取；
确定每个轮廓坐标点所在的网格；
通过网格序号将对应网格内的轮廓坐标点进行统计，确定每个网格的坐标点；
根据每个网格的坐标点，生成陀螺设备三维坐标集合。
6.如权利要求1所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
将陀螺设备在环境磁场中通过离心机进行加速，确定离心机的加速序列和陀螺设备的加速度敏感向量和陀螺设备的加速度向量；
根据离心机的加速度序列、陀螺设备的加速度敏感向量和加速度向量之间的数学关系，生成陀螺设备的加速矩阵；
通过加速矩阵，确定陀螺设备的实时观测数据。
7.如权利要求6所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据实时观测数据，确定离心机的加速曲线和陀螺设备的速度变化曲线；
根据离心机的加速曲线，在网格化静态磁场空间模型设置陀螺设备在每一时刻的加速度参数，确定空间加速曲线；
将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差。
8.如权利要求7所述的一种MEMS陀螺自动标定方法，其特征在于，所述将空间加速曲线作为理想观测数据与实时观测数据进行对比，确定陀螺设备的标定误差包括：
将空间加速曲线和实时观测数据按照时间点进行划分，确定每一时间点陀螺设备的空间加速参数和观测参数
分别生成基于时间的空间加速序列和观测加速序列；
将空间加速序列和观测加速序列进行函数转化，生成空间加速函数和观测加速函数；
将空间加速函数和观测加速函数进行拟合计算，确定拟合差值。
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