CN118274884B - 惯性测量单元的误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种惯性测量单元的误差补偿方法，包括：步骤1：采集惯性测量单元的数据；步骤2：根据预设的零偏温度补偿的误差模型对采集的数据进行零偏温度补偿；步骤3：根据预设的视加速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的加计数据进行误差补偿，补偿得到速度增量；步骤4：根据预设的角速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的陀螺数据进行误差补偿，补偿得到角增量。本发明对误差进行补偿，降低了惯性测量单元的误差；本发明的方法操作简单，对场地要求简单，通过与地球的重量加速度和地球自转角速度验证对比，准确度高，可以作为惯性测量单元误差补偿的通用方法。

Description

惯性测量单元的误差补偿方法

技术领域

本发明涉及惯性测量单元的生产测试技术领域，尤其涉及一种惯性测量单元的误差补偿方法。

背景技术

惯性测量单元（IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了XYZ轴三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

惯性测量单元标定是惯性导航的前提，标定结果的好坏将对惯性导航精度产生直接的影响。现有的标定技术的误差大，步骤复杂，验证方法与测试方法同质化，可能将工装误差带入惯性测量单元中，最终会影响导航系统的正常使用。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种惯性测量单元的误差补偿方法，以使对误差进行补偿，并以地球自转角速度和重力加速度为真值进行误差残差验证，降低惯性测量单元的误差。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种惯性测量单元的误差补偿方法，包括：

步骤1：采集惯性测量单元的数据，惯性测量单元的数据包括X、Y、Z轴加计数据和X、Y、Z轴陀螺数据；

步骤2：根据预设的零偏温度补偿的误差模型对采集的数据进行零偏温度补偿；

步骤3：根据预设的视加速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的加计数据进行误差补偿，补偿得到速度增量；

步骤4：根据预设的角速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的陀螺数据进行误差补偿，补偿得到角增量。

本发明的有益效果为：本发明根据惯性测量单元的自身特点，建立了惯性测量单元输出的误差模型，对误差模型进行分析后，提出了一种误差补偿方案，以便获得惯性测量单元的角速度和视加速度输出；本发明的方法操作简单，对场地要求简单，通过与地球的重量加速度和地球自转角速度验证对比，准确度高，可以作为惯性测量单元误差补偿的通用方法。

附图说明

图1是本发明实施例的惯性测量单元的误差补偿方法的流程示意图。

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结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1，本发明实施例的惯性测量单元的误差补偿方法包括步骤1～步骤4。

步骤1：采集惯性测量单元的数据，惯性测量单元的数据包括X、Y、Z轴加计数据（加速度计数据，简称加计数据）和X、Y、Z轴陀螺数据。步骤1中，可通过FPGA（FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列）或者ARM（Advanced RISC Machine，进阶精简指令集机器）采集惯性测量单元的数据，并赋值给变量，为了提高数据的可靠性，一般设置变量类型为双精度浮点数，同时采用累计增量的形式保存数据，即使出现了采集数据丢失的情况这种数据记录模式也不会丢失平均运动信息。

步骤2：根据预设的零偏温度补偿的误差模型对采集的数据进行零偏温度补偿。

步骤3：根据预设的视加速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的加计数据进行误差补偿，补偿得到速度增量。

步骤4：根据预设的角速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的陀螺数据进行误差补偿，补偿得到角增量。

作为一种实施方式，步骤2中，预设的零偏温度补偿的误差模型如下：

；

其中，为温度补偿后的惯性测量单元数据，为直接采集到的惯性测量单元原始数据，T为各个轴向的当前温度值，为第i个轴向的温补三次方系数，为第i个轴向的温补二次方系数，为第i个轴向的温补一次方系数。

步骤2中，零偏温度补偿的测试方法如下。

a）首先将惯性测量单元产品放置在高低温箱中，先通电测试确保产品正常后断电；

b）设置温箱温度为下限温度，温度到温后，保温2h~4h，在保温结束后，对惯性测量单元产品上电，保存数据，测试1h。

c）设置温箱，以温箱最低温度变化速率（如0.3℃/min），继续进行数据的采集；

d）当温箱到达产品要求的上限温度时，继续采集1h数据。

步骤2中，零偏温度补偿的误差参数计算方法：通过多项式拟合的方法，拟合出自变量为温度值，因变量为惯性器件输出数据值之间的三次项关系，即得到了、、等值。

步骤2中，零偏温度补偿的验证如下。

按照零偏温度补偿的试验再进行一次数据采集，同时保存温补前和温补后的数据，计算变温过程中，温补前后各个轴向的零偏稳定性指标，一般要求温补后的零偏稳定性值优于温补前的20%，即为温度补偿有效。

作为一种实施方式，步骤3中，预设的视加速度测量通道误差模型定义如下：

；

、、分别为经零偏温度补偿后的X、Y、Z轴加计数据，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的视加速度输出值，单位为g；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的零偏值，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的标度因数，单位为：；

、分别为X轴加速度计绕Z轴、Y轴的安装误差，、分别为Y轴加速度计绕Z轴、X轴的安装误差，、分别为Z轴加速度计绕Y轴、X轴的安装误差，单位为：。

作为一种实施方式，根据下式计算各轴加速度计的零偏值、标度因数、安装误差：

；

；

；

其中，、、为采用12位置转动测试方法所测得的惯性测量单元的加速度计的数据, j∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，表示X轴加速度计在第j个位置的1s平均输出，即，、、……分别表示X轴加速度计在第1、2、3……12个位置的1s平均输出。同理，表示Y轴加速度计在第j个位置的1s平均输出，表示Z轴加速度计在第j个位置的1s平均输出。即，、……分别表示Y轴加速度计在第1、2……12个位置的1s平均输出，、……分别表示Z轴加速度计在第1、2……12个位置的1s平均输出。

本发明实例通过12位置转动的测试方法，测量视加速度测量通道的12个相关参数，其具体的操作步骤如下。

a）首先，确认，大理石平板的水平度不低于10″。使用的六面体工装水平度和垂直度均不低于10″；

b）将惯性测量单元正确安装在六面体工装中，并通电预热一定时间；

c）按照表1的放置顺序，将惯性测量单元的XYZ三个轴向分别在特定位置上放置60秒，采集数据。

作为一种实施方式，步骤3之后还包括视加速度误差补偿验证步骤：测试惯性测量单元，根据惯性测量单元的视加速度输出值计算视加速度误差补偿残差，若小于等于惯性测量单元的加速度计零偏稳定性指标的3倍，即为合格。具体测试方法为：将惯性测量单元放置在大理石平板上，上电预热约定时间后，开始测试，测试时间60s，获取1秒平均误差补偿残差。

在经过误差补偿后，在地球重力场中，载体静态时感知的速度平均增量为1g，即；为误差补偿残差，单位为：g，为X轴加速度计的视加速度输出值，为Y轴加速度计的视加速度输出值，为X、Y、Z轴加速度计的视加速度输出值。

作为一种实施方式，步骤4中，预设的角速度测量通道误差模型定义如下：

；

其中：、、分别为经零偏温度补偿后的X、Y、Z轴陀螺数据，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴陀螺输出的角速度值，单位为：;

、、分别为X、Y、Z轴陀螺的零偏值，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴陀螺的标度因数，单位为：；

、分别为X轴陀螺绕Z轴和Y轴的安装误差，、分别为Y轴陀螺绕Z轴和X轴的安装误差，、分别为Z轴陀螺绕Y轴和X轴的安装误差，单位为：。

作为一种实施方式，根据以下步骤得到各轴陀螺的常值漂移、标度因数、安装误差：

a）、首先，确认转台台面的水平度不低于10″。使用的六面体工装水平度和垂直度均不低于10″；将惯性测量单元安装在六面体工装中，并通电预热；

b）、先将惯性测量单元X轴朝上，正转测试时，转台静止，先静止采集数据约10s，然后转台设置位置从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s（即顺时针转动，M°/s为转台的转动速度，转动速度根据实际要求调整，大小无要求）；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，转台静止，先静止采集数据约10s，然后转台设置位置从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s（即逆时针转动）；转台停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

c）、先将惯性测量单元的Y轴朝上，正转测试时，转台先静止，静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

d）、先将惯性测量单元的Z轴朝上，正转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

e）、将惯性测量单元的Z轴朝上，分别在六面体工装的转台的0°、90°、180°、270°4个位置，静态采集数据10分钟。

f）、根据下式计算各轴陀螺的标度因数、安装误差：

；

；

；

其中，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在X轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在X轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为Y、X、Z轴陀螺在Y轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为Y、X、Z轴陀螺在Y轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在Z轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在Z轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和；

g）、根据下式计算各轴陀螺的零偏值：

；

其中，、、、分别为X轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，、、、分别为Y轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，、、、分别为Z轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，为地球自转角速度， ，L为当地的地理纬度。

根据角速度测量通道误差模型，可推导出X、Y、Z轴角速度的表达式，如下所示。

。

作为一种实施方式，步骤4之后还包括角速度误差补偿验证步骤：测试惯性测量单元，根据惯性测量单元的角速度输出值计算角速度误差补偿残差，若小于等于惯性测量单元的陀螺零偏稳定性指标的3倍，即为合格。具体测试方法为：将惯性测量单元放置在大理石平板上，上电预热约定时间后，开始测试，测试时间60s，获取1秒平均误差补偿残差。

在经过误差补后，在地球角运动场中，载体静态时感知的角速率为地球自转角速率，即，；为地球自转角速度，为X轴陀螺输出的平均角速度值，为Y轴陀螺输出的平均角速度值，为Z轴陀螺输出的平均角速度值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (5)

1.一种惯性测量单元的误差补偿方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集惯性测量单元的数据，惯性测量单元的数据包括X、Y、Z轴加计数据和X、Y、Z轴陀螺数据；

步骤2：根据预设的零偏温度补偿的误差模型对采集的数据进行零偏温度补偿；

步骤3：根据预设的视加速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的加计数据进行误差补偿，补偿得到速度增量；

步骤4：根据预设的角速度测量通道误差模型对零偏温度补偿后的陀螺数据进行误差补偿，补偿得到角增量；

步骤2中，预设的零偏温度补偿的误差模型如下：

；

其中，为温度补偿后的惯性测量单元数据，为直接采集到的惯性测量单元原始数据，T为各个轴向的当前温度值，为第i个轴向的温补三次方系数，为第i个轴向的温补二次方系数，为第i个轴向的温补一次方系数；

步骤3中，预设的视加速度测量通道误差模型定义如下：

；

其中：

、、分别为经零偏温度补偿后的X、Y、Z轴加计数据，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的视加速度输出值，单位为g；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的零偏值，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴加速度计的标度因数，单位为：；

、分别为X轴加速度计绕Z轴、Y轴的安装误差，、分别为Y轴加速度计绕Z轴、X轴的安装误差，、分别为Z轴加速度计绕Y轴、X轴的安装误差，单位为：；

步骤4中，预设的角速度测量通道误差模型定义如下：

；

其中：、、分别为经零偏温度补偿后的X、Y、Z轴陀螺数据，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴陀螺输出的角速度值，单位为：;

、、分别为X、Y、Z轴陀螺的零偏值，单位为：；

、、分别为X、Y、Z轴陀螺的标度因数，单位为：；

、分别为X轴陀螺绕Z轴和Y轴的安装误差，、分别为Y轴陀螺绕Z轴和X轴的安装误差，、分别为Z轴陀螺绕Y轴和X轴的安装误差，单位为：。

2.如权利要求1所述的惯性测量单元的误差补偿方法，其特征在于，根据下式计算各轴加速度计的零偏值、标度因数、安装误差：

；

；

；

其中，、、为采用12位置转动测试方法所测得的惯性测量单元的加速度计的数据, j∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，表示X轴加速度计在第j个位置的1s平均输出，表示Y轴加速度计在第j个位置的1s平均输出，表示Z轴加速度计在第j个位置的1s平均输出。

3.如权利要求1所述的惯性测量单元的误差补偿方法，其特征在于，步骤3之后还包括视加速度误差补偿验证步骤：测试惯性测量单元，根据惯性测量单元的视加速度输出值计算视加速度误差补偿残差，若小于等于惯性测量单元的加速度计零偏稳定性指标的3倍，即为合格；

其中，；为误差补偿残差，单位为：g，为X轴加速度计的视加速度输出值，为Y轴加速度计的视加速度输出值，为X、Y、Z轴加速度计的视加速度输出值。

4.如权利要求1所述的惯性测量单元的误差补偿方法，其特征在于，根据以下步骤得到各轴陀螺的常值漂移、标度因数、安装误差：

a）、将惯性测量单元安装在六面体工装中，并通电预热；

b）、先将惯性测量单元X轴朝上，正转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

c）、先将惯性测量单元的Y轴朝上，正转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

d）、先将惯性测量单元的Z轴朝上，正转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：+M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，正转前静止时间加正转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；反转测试时，先静止采集数据约10s，然后从0°~360°转动，转动速度为：-M°/s；停止旋转后，继续静止测试采集数据，反转前静止时间加反转时间再加停止旋转后的静止时间一共花费时间60s；

e）、将惯性测量单元的Z轴朝上，分别在六面体工装的转台的0°、90°、180°、270°4个位置，静态采集数据10分钟；

f）、根据下式计算各轴陀螺的标度因数、安装误差：

；

；

；

其中，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在X轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在X轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为Y、X、Z轴陀螺在Y轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为Y、X、Z轴陀螺在Y轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在Z轴朝上正转测试时的60s输出值的累加和，、、分别为X、Y、Z轴陀螺在Z轴朝上反转测试时的60s输出值的累加和；

g）、根据下式计算各轴陀螺的零偏值：

；

其中，、、、分别为X轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，、、、分别为Y轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，、、、分别为Z轴陀螺在0°、90°、180°、270°位置10min输出值的和，为地球自转角速度， ，L为当地的地理纬度。

5.如权利要求1所述的惯性测量单元的误差补偿方法，其特征在于，步骤4之后还包括角速度误差补偿验证步骤：测试惯性测量单元，根据惯性测量单元的角速度输出值计算角速度误差补偿残差，若小于等于惯性测量单元的陀螺零偏稳定性指标的3倍，即为合格；

其中，；为地球自转角速度，为X轴陀螺输出的平均角速度值，为Y轴陀螺输出的平均角速度值，为Z轴陀螺输出的平均角速度值。