CN117705106B - 一种mems imu全自动全温度补偿标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法，包括如下步骤：利用每一个温度点及相邻下一个温度点上的温度差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上的一次项系数值；利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的测量值、温度值和温度差值进行多元回归函数拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上加速度漂移常值一次项系数值；利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的安装误差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上安装误差一次项系数值；将各系数值加载到加速度传感器补偿模型中。本发明可准确补偿全温度范围内加速度传感器的误差，提高MEMS IMU在应用过程中的精度。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量和导航技术领域，具体涉及一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法。
背景技术
随着惯性传感器的快速发展，MEMS惯性传感器及惯性产品代表了惯性技术的一个重要发展方向，作为MEMS惯性导航系统核心部件的MEMS IMU，由于其小体积、低功耗、低成本、重量轻、动态范围宽、响应速度快等特点，广泛应用于军用和民用领域。
MEMS惯性器件、微惯性测量单元 (MEMS IMU )的发展拓宽了惯性技术的应用领域。但是其精度较差、温度对惯性器件性能的影响较大, 主要表现在零偏、标度因数随温度变化有很大的漂移。因此, 需要建立MEMS惯性器件的温度漂移补偿模型以提高MEMS IMU的测量精度, 降低环境工作温度对惯性器件性能的影响。
公开号为CN116358545A的专利，公开了一种惯性传感器零偏温度补偿方法，该方法包括：采集惯性传感器温度数据及零偏数据；对所述零偏数据的野值点及瞬时噪声放大数据进行清洗及填充，得到处理后零偏数据；基于所述温度数据计算温度梯度数据，具体地，任一采样时刻温度梯度数据为该采样时刻温度数据与该采样时刻前K个时刻的温度数据集的算术平均值之差；建立温度补偿模型，基于所述温度数据、温度梯度数据及处理后零偏数据训练所述温度补偿模型，生成模型参数；将所述模型参数拟合后写入所述惯性传感器内置的存储单元，预测零偏值后用于零偏补偿。
但是，上述专利在实际使用过程中存在以下不足，由于惯性传感器的测量误差随温度的变化并非线性的，采用任一采样时刻温度梯度数据建立温度补偿模型，在工作温度范围内使用，就会造成误差大，测量结果准确度低。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法，所述方法包括：
将加速度传感器放入到温控箱中，并对温控箱中的温度从低到高进行调节，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值；
利用每一个温度点及相邻下一个温度点上的温度差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上的一次项系数值；
利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的测量值、温度值和温度差值进行多元回归函数拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上加速度漂移常值一次项系数值；
利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的安装误差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上安装误差一次项系数值；
获取加速度传感器的工作温度，利用加速度传感器的工作温度确定出目标温度点及相邻下一个目标温度点；
将目标温度点及相邻下一个目标温度点上的一次项系数值，加速度漂移常值一次项系数值及安装误差一次项系数值加载到加速度传感器补偿模型中得到补偿值，利用得到的补偿值对加速度传感器进行补偿。
优选的，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值的方法包括：
将加速度传感器安装到温控箱内的三轴转台上，温度传感器安装在温控箱内；
将工控机分别与温控箱通信接口、三轴转台接口、程控直流电源接口、温度传感器通信接口、加速度传感器通信口连接；
将温控箱内的温度从小到大升至每一个温度点，在升至每一个温度点后温控箱进行保温，工控机获取加速度传感器在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及温度差值。
优选的，获取每个温度点的温度差值获取的方法包括，获取每个温度点8秒前的温度值，利用每个温度点的温度值与该温度点8秒前的温度值的差值作为每个温度点的温度差值。
优选的，每个温度点的温度值分别为：-40℃、-20℃、0℃、+20℃、+40℃、+60℃、80℃。
优选的，加速度传感器的补偿模型为：
；
；
；
；
；
其中：
：为三轴加速度传感器线加速度测量通道输出的视加速度值；
：为X、Y或Z，分别为对应轴向测量通道当前温度下的零偏值；
：温度传感器测量的当前温度值；
：温度差值；
：为三轴加速度传感器测量通道当前温度的标度因数值；
：为三轴加速度传感器当前温度的安装误差值；
：为在第i个温度点X轴加速度传感器在第9个位置的输出数据平均值，共有12
个位置，包括X、-X、Y、-Y、Z和-Z，并在每个方向上旋转一百八十度，获得12个位置；
、、：为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差值；
、、为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差一次项系数
值；
：分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差
值；
：分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差
值；
：分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差
值；
、为分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差
一次项系数值；
、为分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差
一次项系数值；
、为分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差
值一次项系数值；
：为三轴加速度传感器对应轴向视加速度值；
：为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应轴的加速度漂移常值一次项系数
值；
：为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应轴的温度差值一次项系数值，其下
标i [1~6]为温度区间，1温度区间为-40℃-20℃，2温度区间为-20℃-0℃，3温度区间为0
℃-20℃,4温度区间为20℃-40℃，5温度区间为40℃-60℃，6温度区间为60℃-80℃。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明可准确补偿全温度范围内加速度传感器的误差，不仅提高MEMS IMU在应用过程中的精度，而且减少人员参与、实现全自动批量标定补偿，提高了效率。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的另一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法的流程图。
图3是本发明中的加速度传感器的十二位置图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一标志位置集合也可以被称为第二标志位置集合，类似地，第二标志位置集合也可以被称为第一标志位置集合。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
需要说明的是，本申请中所有获取信号、信息或数据的动作都是在遵照所在地国家相应的数据保护法规政策的前提下，并获得由相应装置所有者给予授权的情况下进行的。
图1是根据一示例性实施例示出的一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法，如图1所示，包括如下步骤：
在步骤S101中，将加速度传感器放入到温控箱中，并对温控箱中的温度从低到高进行调节，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值，温度差值可选择从第八秒开始持续取当前温度与其前八秒的温度差值；
在步骤S102中，利用每一个温度点及相邻下一个温度点上的温度差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上的一次项系数值；
在步骤S103中，利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的测量值、温度值和温度差值进行多元回归函数拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上加速度漂移常值一次项系数值；例如：多元回归函数为W=AX+BY+CZ+D，其中W为加速度漂移常值一次项系数值，X为加速度传感器的测量值，Y为温度值，Z为温度差值，A、B、C和D均为系数。
在步骤S104中，利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的安装误差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上安装误差一次项系数值；
在步骤S105中，获取加速度传感器的工作温度，利用加速度传感器的工作温度确定出目标温度点及相邻下一个目标温度点；
在步骤S106中，将目标温度点及相邻下一个目标温度点上的一次项系数值，加速度漂移常值一次项系数值及安装误差一次项系数值加载到加速度传感器补偿模型中得到补偿值，利用得到的补偿值对加速度传感器进行补偿。
在上述技术方案中，加速度传感器在各个温度点下针对零偏漂移进行温度梯度补偿，能够显著抑制加速度传感器的启动漂移，继而在各温度段之间采用直线拟合温度一次项系数值、加速度漂移常值一次项系数值和安装误差一次项系数值进行补偿，有效的补偿了全温范围加速传感器的各项误差，提升了IMU的各项指标精度。
可选地，图2根据一示例性实施例示出的另一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值的方法包括：
在步骤S107中，将加速度传感器安装到温控箱内的三轴转台上，温度传感器安装在温控箱内；
在步骤S108中，将工控机分别与温控箱通信接口、三轴转台接口、程控直流电源接口、温度传感器通信接口、加速度传感器通信口连接；
在步骤S109中，将温控箱内的温度从小到大升至每一个温度点，在升至每一个温度点后温控箱进行保温，工控机获取加速度传感器在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及温度差值。
三轴转台分别在每个方向上翻转一百八十度，分别获取对应位置上的温度值、温差值、安装误差值，如图3所示，共有12个位置，能获取多个位置的温度值、温差值、安装误差值，经过计算后，获取的补偿值更准确。
在上述技术方案中，该方法通过三轴温控速率位置转台和工控机，可准确补测量全温度范围内加速传感器的测量值、安装误差值及温度差值。
可选地，获取每个温度点的温度差值获取的方法包括，获取每个温度点8秒前的温度值，利用每个温度点的温度值与该温度点8秒前的温度值的差值作为每个温度点的温度差值。
在上述技术方案中，通过多次尝试，采用每个温度点的温度值与该温度点8秒前的温度值的差值作为每个温度点的温度差值，在减少了计算量的同时，还能保证测量的精确度。
可选地，每个温度点的温度值分别为：-40℃、-20℃、0℃、+20℃、+40℃、+60℃、80℃。
在上述技术方案中，通过设置多个间隔20℃的区间，既能减小计算量，又能保证补偿结果的准确度。
可选地，加速度传感器的补偿模型为：
；
；
；
；
；
其中：
：为三轴加速度传感器线加速度测量通道输出的视加速度值；
：为X、Y或Z，分别为对应轴向测量通道当前温度下的零偏值；
：温度传感器测量的当前温度值；
：温度差值；
：为三轴加速度传感器测量通道当前温度的标度因数值；
：为三轴加速度传感器当前温度的安装误差值；
：为在第i个温度点X轴加速度传感器在第9个位置的输出数据平均值，共有12
个位置，包括X、-X、Y、-Y、Z和-Z，并在每个方向上旋转一百八十度，获得12个位置；
、、：为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差值；
、、为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差一次项系数
值；
：分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差
值；
：分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差
值；
：分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差
值；
、为分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差
一次项系数值；
、为分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差
一次项系数值；
、为分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差
值一次项系数值；
：为三轴加速度传感器对应轴向视加速度值；
：为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应轴的加速度漂移常值一次项系数
值；
：为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应轴的温度差值一次项系数值，其下
标i [1~6]为温度区间，1温度区间为-40℃-20℃，2温度区间为-20℃-0℃，3温度区间为0
℃-20℃,4温度区间为20℃-40℃，5温度区间为40℃-60℃，6温度区间为60℃-80℃。
补偿前后指标对比：
以某次MEMS IMU三温(-40℃、+25℃、+80℃)温补偿数据为例，采用加速度计和陀螺仪进行验证，对比分析如下：
表1某批次MEMS IMU补偿前和补偿后的指标对比
在上述技术方案中，如表1所示，当零偏值、零偏稳定性值、标度因数值和交叉耦合值的数值越小，说明补偿后的效果越好，越接近真实值。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (4)
1.一种MEMS IMU全自动全温度补偿标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将加速度传感器放入到温控箱中，并对温控箱中的温度从低到高进行调节，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值；
利用每一个温度点及相邻下一个温度点上的温度差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上的一次项系数值；
利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的测量值、温度值和温度差值进行多元回归函数拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上加速度漂移常值一次项系数值；
利用每一个温度点及该温度点相邻下一个温度点上加速度传感器的安装误差值进行直线拟合得到每个温度点与相邻下一个温度点上安装误差一次项系数值；
获取加速度传感器的工作温度，利用加速度传感器的工作温度确定出目标温度点及相邻下一个目标温度点；
将目标温度点及相邻下一个目标温度点上的一次项系数值，加速度漂移常值一次项系数值及安装误差一次项系数值加载到加速度传感器补偿模型中得到补偿值，利用得到的补偿值对加速度传感器进行补偿；
加速度传感器的补偿模型为：
；
；
；
；
；
其中：
：为三轴加速度传感器线加速度测量通道输出的视加速度值；
：/>为X、Y或Z，分别为对应轴向测量通道当前温度下的零偏值；
：温度传感器测量的当前温度值；
：温度差值；
：为三轴加速度传感器测量通道当前温度的标度因数值；
：为三轴加速度传感器当前温度的安装误差值；
：为在第i个温度点X轴加速度传感器在第9个位置的输出数据平均值，共有12个位置，包括X、-X、Y、-Y、Z和-Z，并在每个方向上旋转一百八十度，获得12个位置；
、/>、/>：为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差值；
、/>、/>为三轴加速度传感器在i温度区间上X、Y、Z轴的安装误差一次项系数值；
：分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差值；
：分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差值；
：分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差值；
、/>为分别为在i温度区间上X轴加速度传感器分别相对于Y、Z轴的安装误差一次项系数值；
、/>为分别为在i温度区间上Y轴加速度传感器分别相对于X、Z轴的安装误差一次项系数值；
、/>为分别为在i温度区间上Z轴加速度传感器分别相对于X、Y轴的安装误差值一次项系数值；
：为三轴加速度传感器对应轴向视加速度值；
：/>为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应/>轴的加速度漂移常值一次项系数值；
：/>为X、Y或Z，在i温度区间上分别为对应/>轴的温度差值一次项系数值，其下标i [1~6]为温度区间，1温度区间为-40℃-20℃，2温度区间为-20℃-0℃，3温度区间为0℃-20℃,4温度区间为20℃-40℃，5温度区间为40℃-60℃，6温度区间为60℃-80℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及该温度点前设定时间内的温度值与该温度点的温度值之间的温度差值的方法包括：
将加速度传感器安装到温控箱内的三轴转台上，温度传感器安装在温控箱内；
将工控机分别与温控箱通信接口、三轴转台接口、程控直流电源接口、温度传感器通信接口、加速度传感器通信口连接；
将温控箱内的温度从小到大升至每一个温度点，在升至每一个温度点后温控箱进行保温，工控机获取加速度传感器在每一个温度点上加速度传感器的测量值、安装误差值及温度差值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取每个温度点的温度差值获取的方法包括，获取每个温度点8秒前的温度值，利用每个温度点的温度值与该温度点8秒前的温度值的差值作为每个温度点的温度差值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个温度点的温度值分别为：-40℃、-20℃、0℃、+20℃、+40℃、+60℃、80℃。
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Denomination of invention: A fully automatic and temperature compensation calibration method for MEMS IMU Granted publication date: 20240503 Pledgee: Bank of China Limited Xi'an Second Ring Century Star Sub branch Pledgor: Xi'an Junjie Xinchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980022762 |