CN103323625B - 一种mems-imu中加速度计动态环境下的误差标定补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种MEMS-IMU中三轴加速度计动态环境下的误差标定补偿方法，其包括：使转台外框按速率模式运行；其次让Z轴回到零位，转台内框按照正弦模式运行；改变IMU的安装，分别让X轴、Y轴加速度计的敏感轴方向与天向平行，和Z轴相同的运行模式让加速度计敏感动态加速度和动态角速度；记录下三个轴向加速度计的输出数据，进行分析处理，可以得到MEMS-IMU中三轴加速度计的安装误差，标定系数，零点漂移以及动态角速度对加速度计的影响因子。本方法简单易实现，对MEMS-IMU系统精度提高明显，特别适用于应用低成本、低精度MEMS加速度计的系统中。

Description

一种MEMS-IMU中加速度计动态环境下的误差标定补偿方法

技术领域

本发明给出了一种MEMS-IMU中加速度计动态环境下的误差标定补偿方法，可用于MEMS-IMU中三轴加速度计的误差标定和补偿，特别适用于低成本微机电加速度计构成的惯性测量单元。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS）微惯性测量单元一般由陀螺仪和加速度计构成，由于其体积小、质量轻、成本低等优点越来越多的被应用到惯性导航的各个领域，给惯性测量带来全新的变革和发展机遇。

微惯性测量单元是整个惯性测量系统的核心传感器，决定着整个系统的性能和测量精度。加速度计作为两个核心元件之一，由于其精度不是很高，所以对其进行主要误差的分析和标定就显得尤为重要。

通常情况下，标定加速度计的安装误差和比例因子方法都是在静态或者准静态条件下进行，这样得到的误差补偿模型对于加速度计测量动态加速度时的误差补偿结果不理想。

发明内容

本发明提出的目的是通过双轴转台模拟的动态环境下，标定MEMS-IMU中三轴加速度计主要误差，并给出误差补偿模型。

实现本发明目的的解决方案及步骤如下：

将MEMS-IMU安装在双轴转台的基座上，Z加速度计、X加速度计敏感轴分别指向转台的外框和内框，转台外框指天向，内框指北向，则Y加速度计敏感轴自动指西向。

待IMU（Inertial Measurement Unit,IMU）预热一段时间之后，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，速率为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间。同步采集Y加速度计输出a_ayz和Z加速度计输出a_azz。

转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axz。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速度ω_z、X加速度计输出a_ωxz、Y加速度计输出a_ωyz和Z加速度计输出a_ωzz。

调整IMU三个加速计的指向，使Y加速度计指向外框，X加速度计指向内框，Z加速度计指向东向，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayy和Z加速度计输出a_azy。

转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axy。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速度ω_y、X加速度计输出a_ωxy、Y加速度计输出a_ωyy和Z加速度计输出a_ωzy。

调整IMU三个加速计的指向，使X加速度计指向外框，Y加速度计指向内框，Z加速度计指向东向.固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axx和Z加速度计输出a_azx。

转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayx。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速度ω_x、X加速度计输出a_ωxx、Y加速度计输出a_ωyx和Z加速度计输出a_ωzx。

本发明的创新点在于：MEMS-IMU中三轴加速度计敏感双轴转台模拟的动态环境条件下加速度和角速度，通过加速度计实际输出，分析加速度计主要误差受到的动态加速度和角速度的影响，从而求出加速度计动态误差补偿模型，实现误差的补偿。

附图说明

图1为MEMS-IMU中三轴加速度计安装示意图；

图2为与本发明具体实施方案一致的方法流程图。

具体实施方案

结合附图介绍本发明详细实施方案和步骤：

将如图1所示三轴加速度计安装在双轴转台的基座上，Z加速度计、X加速度计敏感轴分别指向转台的外框和内框，转台外框指天向，内框指北向，则Y加速度计敏感轴自动指西向，如图2-(a)所示。

待IMU预热一段时间之后，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式运行，速率为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayz和Z加速度计输出a_azz，由采集到的Z加速度计输出数据拟合得到曲线a_azz=h_z·cos(ωt)+a_zz0，其中h_z、a_zz0分别为由Z加速度计采集数据计算得到正弦曲线幅值和零点漂移。通过分析采集到的数据a_ayz、a_azz和a之间的关系，拟合得到C_zz=g/h_z，a_ayz=C_yz·a+a_yz0，其中C_zz、C_yz分别为Z轴方向有动态加速度输入时Z加速度计、Y加速度计的输出误差系数，a_yz0为此时计算得到的Y加速度计零点漂移。

转台内框顺时针转动90度后保持静止，如图2-(b)所示。将定转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axz。通过分析采集到的数据a_axz和a之间的关系，拟合得到a_axz=C_xz·a+a_xz0，其中C_xz为Z轴方向有动态加速度输入时X加速度计的输出误差系数，a_xz0为此时计算得到的X加速度计零点漂移。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，如图2-(c)所示，同步采集转台内框角速度ω_z、X加速度计输出a_ωxz、Y加速度计输出a_ωyz和Z加速度计输出a_ωzz；并分析ω_z别和a_ωxz、a_ωyz、a_ωzz之间的关系，拟合出关系式a_ωxz=T_xz·ω_z+a_ωxz0、a_ωyz=T_yz·ω_z+a_ωyz0、a_ωzz=T_zz·ω_z+a_ωzz0，其中T_xz、T_yz、T_zz分别是Z轴加速度计方向上有动态角速度输入时X、Y、Z三个加速度计输出与动态角速度的比例因子，a_ωxz0、a_ωyz0、a_ωzz0分别表示此时三个加速度计的零点漂移。

调整IMU三个加速计的指向，使Y加速度计指向外框，X加速度计指向内框，Z加速度计指向东向，如图2-(d)所示。固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayy和Z加速度计输出a_azy，由采集到的Y加速度计输出数据拟合得到曲线a_ayy=h_y·cos(ωt)+a_yy0，其中h_y、a_yy0分别为由Y加速度计采集数据计算得到正弦曲线幅值和零点漂移。通过分析采集到的数据a_ayy、a_azy和a之间的关系，拟合得到C_yy=g/h_y，a_azy=C_zy·a+a_zy0，其中C_yy、C_zy分别为Y轴方向有动态加速度输入时Y加速度计、Z加速度计的输出误差系数，a_zy0为此时计算得到的Z加速度计零点漂移。

转台内框顺时针转动90度后保持静止，如图2-(e)所示。将转台外框设定为速率模式运行，速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axy。通过分析采集到的数据a_axy和a之间的关系，拟合得到a_axy=C_xy·a+a_xy0，其中C_xy为Y轴方向有动态加速度输入时X加速度计的输出误差系数，a_xy0为此时计算得到的X加速度计零点漂移。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，如图2-(f)所示。同步采集转台内框角速度ω_y、X加速度计输出a_ωxy、Y加速度计输出a_ωyy和Z加速度计输出a_ωzy；并分析ω_y分别和a_ωxy、a_ωyy、a_ωzy之间的关系，拟合出关系式a_ωxy=T_xy·ω_y+a_ωxy0、a_ωyy=T_yy·ω_y+a_ωyy0、a_ωzy=T_zy·ω_y+a_ωzy0，其中T_xy、T_yy、T_zy分别是Y轴加速度计方向上有动态角速度输入时X、Y、Z三个加速度计输出与动态角速度的比例因子，a_ωxy0、a_ωyy0、a_ωzy0分别表示此时三个加速度计的零点漂移。

调整IMU三个加速计的指向，使X加速度计指向外框，Y加速度计指向内框，Z加速度计指向东向，如图2-(g)所示。固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axx和Z加速度计输出a_azx，由采集到的X加速度计输出数据拟合得到曲线a_axx=h_x·cos(ωt)+a_xx0，其中h_x、a_xx0分别为由X加速度计采集数据计算得到正弦曲线幅值和零点漂移。通过分析采集到的数据a_axx、a_azx和a之间的关系，拟合得到C_xx=g/h_x，a_azx=C_zx·a+a_zx0，其中C_xx、C_zx分别为X轴方向有动态加速度输入时X加速度计、Z加速度计的输出误差系数，a_zx0为此时计算得到的Z加速度计零点漂移。

转台内框顺时针转动90度后保持静止，如图2-(h)所示。将转台外框设定为速率模式运行，速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a=g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayx。通过分析采集到的数据a_ayx和a之间的关系，拟合得到a_ayx=C_yx·a+a_yx0，其中C_yx为X轴方向有动态加速度输入时Y加速度计的输出误差系数，a_yx0为此时计算得到的Y加速度计零点漂移。

转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，如图2-(i)所示。同步采集转台内框角速度ω_x、X加速度计输出a_ωxx、Y加速度计输出a_ωyx和Z加速度计输出a_ωzx；并分析ω_x分别和a_ωxx、a_ωyx、a_ωzx之间的关系，拟合出关系式a_ωxx=T_xx·ω_x+a_wxx0、a_ωyx=T_yx·ω_x+a_wyx0、a_ωzx=T_zz·ω_x+a_wzx0，其中T_xx、T_yx、T_zx分别是X轴加速度计方向上有动态角速度输入时X、Y、Z三个加速度计输出与动态角速度的比例因子，a_ωxy0、a_ωyy0、a_ωzy0分别表示此时三个加速度计的零点漂移。

结合以上具体实施方案确定出来的各个误差参数和比例因子，确定出三轴加速度计的误差补偿模型如式（1）所示：

$\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{\mathrm{xx}}& C_{\mathrm{xy}}& C_{\mathrm{xz}}\\ C_{\mathrm{yx}}& C_{\mathrm{yy}}& C_{\mathrm{yz}}\\ C_{\mathrm{zx}}& C_{\mathrm{zy}}& C_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{ax}}\\ a_{\mathrm{ay}}\\ a_{\mathrm{az}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_{x0}\\ a_{y0}\\ a_{z0}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{T}_{\mathrm{xx}}& T_{\mathrm{xy}}& T_{\mathrm{xz}}\\ T_{\mathrm{yx}}& T_{\mathrm{yy}}& T_{\mathrm{yz}}\\ T_{\mathrm{zx}}& T_{\mathrm{zy}}& T_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\ωx}0}\\ a_{\mathrm{\ωy}0}\\ a_{\mathrm{\ωz}0}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中

$\left[\begin{array}{c}{a}_{x0}\\ a_{y0}\\ a_{z0}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{xz}0}+a_{\mathrm{xy}0}+a_{\mathrm{xx}0}\\ a_{\mathrm{yz}0}+a_{\mathrm{yy}0}+a_{\mathrm{yx}0}\\ a_{\mathrm{zz}0}+a_{\mathrm{zy}0}+a_{\mathrm{zx}0}\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\ωx}0}\\ a_{\mathrm{\ωy}0}\\ a_{\mathrm{\ωz}0}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\ωxz}0}+a_{\mathrm{\ωxy}0}+a_{\mathrm{\ωxx}0}\\ a_{\mathrm{\ωyz}0}+a_{\mathrm{\ωyy}0}+a_{\mathrm{\ωyx}0}\\ a_{\mathrm{\ωzz}0}+a_{\mathrm{\ωzy}0}+a_{\mathrm{\ωzx}0}\end{array}\right]---\left(3\right)$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于微电子机械系统MEMS惯性测量单元IMU中加速度计动态环境下的误差标定补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三轴加速度计安装在双轴转台的基座上，Z加速度计和X加速度计的敏感轴分别指向转台的外框和内框，转台外框指天向，内框指北向，Y加速度计的敏感轴自动指西向；

(2)待IMU预热一段时间之后，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，角速率为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayz和Z加速度计输出a_azz；

(3)转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，角速率同为ω，此时Z加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axz；

(4)转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速率ω_z、X加速度计输出a_ωxz、Y加速度计输出a_ωyz和Z加速度计输出a_ωzz；

(5)调整IMU三个加速计的指向，使Y加速度计指向外框，X加速度计指向内框，Z加速度计指向东向，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，角速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间；同步采集Y加速度计输出a_ayy和Z加速度计输出a_azy；

(6)转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，角速率同为ω，此时Y加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axy；

(7)转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速率ω_y、X加速度计输出a_ωxy、Y加速度计输出a_ωyy和Z加速度计输出a_ωzy；

(8)调整IMU三个加速计的指向，使X加速度计指向外框，Y加速度计指向内框，Z加速度计指向东向，固定转台内框，将转台外框设定为速率模式，角速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集X加速度计输出a_axx和Z加速度计输出a_azx；

(9)转台内框转动90度后保持静止，将转台外框设定为速率模式，角速率同为ω，此时X加速度计敏感动态加速度a＝g·cos(ωt)，其中g为当地地球重力加速度、t为转台运行时间，同步采集Y加速度计输出a_ayx；

(10)转台外框指天向且保持静止，将转台内框设定同为幅值为A，频率为f的正弦速率模式，同步采集转台内框角速率ω_x、X加速度计输出a_ωxx、Y加速度计输出a_ωyx和Z加速度计输出a_ωzx。