一种MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法技术

本发明专利技术属于惯性器件的误差补偿领域，具体涉及一种MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法。本发明专利技术包括（1）选取温度误差补偿模型；温补数据采集；温补数据预处理；温补误差模型参数寻优；温度补偿。本发明专利技术针对MEMS惯性器件中的陀螺和加速度计提出了一种改进的温度误差补偿模型和相应的、简单易行的工作流程。经过温度补偿的MEMS惯性测量单元，在冷启动时，将受自身温升和外界温度变化的影响变小，这样极大地缩短了MEMS惯性测量单元的准备时间，提高了将其作为导航系统的快速性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性器件的误差补偿领域，具体涉及一种MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法。
技术介绍
微机械电子系统（Micro Electronic Mechanical System-MEMS），又简称为微机电系统，是采用纳米技术加工出的新一代微型机电装置。它以硅半导体材料为加工对象，采取专用集成电路制造技术加工出的外形尺寸在毫米量级的具有驱动、控制和信号处理功能的微型器件。MEMS惯性测量单元是一种包含三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计的惯性测量装置，其中陀螺和加速度计的三个轴相互垂直，符合右手定则。鉴于MEMS具有体积小、重量轻、功耗少、成本低、集成化程度高等优点，其将拥有更广阔的工程应用前景，尤其对于微小型运载体的导航、制导与姿态控制具有重要意义。MEMS陀螺和加速度计是MEMS领域的最重要的两类传感器，陀螺用于测量载体运动的角速度，加速度计测量载体的加速度，经过积分分别得到载体姿态（航向角、横摇角、纵摇角）和速度、位置等导航信息。由于MEMS器件的精度较低，而从硬件上提高其精度需要很大的成本，因此通过误差软件建模的方式，提高其精度有很强的现实意义。从工程应用考虑，有的应用场合要求尽可能缩短陀螺冷启动后达到热平衡的过程，使其迅速进入预定的工作状态，MEMS陀螺因为启动后需要较长的热稳定过程，不能满足使用要求。对于工程化要求的MEMS陀螺，为适应各个领域的应用，一般要求MEMS陀螺具有较宽的工作温度范围，可以在不同温度环境下正常工作。但是由于构成MEMS陀螺对温度较为敏感，所以当工作环境温度发生变化时，在陀螺的输出信号中将产生误差。由温度变化造成的误差严重影响MEMS陀螺全温度下的精度。温度已成为MEMS陀螺迈向工程化所面临的难题之一。进行MEMS陀螺温度特性的研究，并对其实施温度补偿以提高陀螺检测精度，是MEMS陀螺走向实用化的必要环节。目前MEMS加速度计生产工艺与MEMS陀螺一样，尚存在没有解决的难题，其温变敏感性较大。温度误差建模与补偿是目前条件下改善MEMS陀螺和MEMS加速度计在温变条件下精度下降的主要方法，通过技术研究，可使惯导系统的温度补偿水平得到提升；可以大幅缩短MEMS惯性测量单元的准备时间，满足快速反应需要。本专利技术的目的是缩短MEMS惯性测量单元的准备时间，减小温度变化对MEMS惯性测量单元的影响。通过一种改进的温度补偿模型，设计一套简单易行、合理有效的温度补偿工作流程，该工作流程不依靠大型温控转台或温箱系统，可大大减少工作强度，对温度补偿模型参数拟合后，达到MEMS惯性测量单元温度补偿的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种缩短MEMS惯性测量单元的准备时间，减小温度变化对MEMS惯性测量单元的影响的MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法。本专利技术的目的是这样实现的：（1）选取温度误差补偿模型：MEMS加速度计的静态数学模型：Aind=EK=B+ai;]]>式中：Aind—仪表指示的加速度值；E—加速度计的输出；K—标度因数；B—偏值；ai—输入加速度；加速度计模型系数偏值B、标度因数K与温度T的数学模型：B(T)＝SB0+SB1TK(T)＝SK0+SK1T；式中：SB0—加速度计偏值的零阶温度模型系数；SB1—加速度计偏值的一阶温度模型系数；SK0—加速度计标度因数的零阶温度模型系数；SK1—加速度计标度因数的一阶温度模型系数；得到不同温度时的加速度计输出E(T)：E(T)SK0+SK1T=SB0+SB1T+ai]]>在T为室温T0时：E(T0)K(T0)=B(T0)+ai⇔EK=B+ai]]>ai=E(T)SK0+SK1T-(SB0+SB1T)=EK-B]]>得温度补偿公式：E=[E(T)SK0+SK1T+(B-SB0-SB1T)×K=E(T)SK0K+SK1KT+(BK-SB0K)-SB1K×T⇔E=1a+bT×E(T)+c+dT,]]>针对惯性器件温度补偿模型：E=E(T)a+b·T+(c+d·T),]]>式中：E表示室温下惯性器件的输出值；T表示惯性器件当前温度；E(T)表示T温度下惯性器件输出值；a+b·T表示惯性器件标度因数补偿，a表示其零次项系数，b表示其一次项系数；(c+d·T)表示惯性器件零偏补偿，c表示其零次项系数，d表示其一次项系数；ΔT为前n分钟，n=1,2,3……，惯性器件温度的变化值，建立改进后的惯性器件温度补偿模型如下：E=E(T)a+b·T+(c+d·T)+e·ΔT,]]>式中：e为温度变化率系数；（2）温补数据采集：MEMS惯性测量单元的x轴指天，开启系统电源，以1Hz的频率，采集惯性器件和温度传感器输出数据；y轴指天，采集惯性器件和温度传感器输出数据；z轴指天，采集惯性器件和温度传感器输出数据；（3）温补数据预处理：对上一步采集得到惯性器件和温度传感器输出数据进行预处理，得到当前惯性器件温度T，T温度下惯性器件输出值E(T)、及前n分钟，n=1,2,3……，惯性器件温度的变化值ΔT；（4）温补误差模型参数寻优：获得加速度计不同温度下的输出数据E(T)，以及对应的温度数据T和温度变化数据ΔT；（5）温度补偿：获得加速度计温度误差模型参数a,b,c,d,e，当惯性测量单元正常工作后，可得到加速度计输出数据E(T)和对应的温度数据T，温度变化ΔT，最终得到加速度计温度补偿后的输出值。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对MEMS惯性器件中的陀螺和加速度计提出了一种改进的温度误差补偿模型和相应的、简单易行的工作流程。经过温度补偿的MEMS惯性测量单元，在冷启动时，将受自身温升和外界温度变化的影响变小，这样极大地缩短了MEMS惯性测量单元的准备时间，提高了将其作为导航系统的快速性。附图说明图1为温度补偿整体工作流程。图2为进行温度补偿数据采集时，系统位置摆放方案。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述：本专利技术针对惯性器件零位漂移和标度因数受温度影响变化较大的情况，本专利技术提出一种改进的温度补偿模型，并设计一套简单易行、合理有效的温度补偿工作流程，最终拟合得到温度补偿模型参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法，其特征在于：（1）选取温度误差补偿模型：MEMS加速度计的静态数学模型：Aind=EK=B+ai]]>式中：Aind—仪表指示的加速度值；E—加速度计的输出；K—标度因数；B—偏值；ai—输入加速度；加速度计模型系数偏值B、标度因数K与温度T的数学模型：B(T)＝SB0+SB1TK(T)＝SK0+SK1T式中：SB0—加速度计偏值的零阶温度模型系数；SB1—加速度计偏值的一阶温度模型系数；SK0—加速度计标度因数的零阶温度模型系数；SK1—加速度计标度因数的一阶温度模型系数；得到不同温度时的加速度计输出E(T)：E(T)SK0+SK1T=SB0+SB1T+ai]]>在T为室温T0时：E(T0)K(T0)=B(T0)+ai⇔EK=B+ai]]>ai=E(T)SK0+SK1T-(SB0+SB1T)=EK-B]]>得温度补偿公式：E=[E(T)SK0+SK1T+(B-SB0-SB1T)×K=E(T)SK0K+SK1KT+(BK-SB0K)-SB1K×T⇔E=1a+bT×E(T)+c+dT]]>针对惯性器件温度补偿模型：E=E(T)a+b·T+(c+d·T)]]>式中：E表示室温下惯性器件的输出值；T表示惯性器件当前温度；E(T)表示T温度下惯性器件输出值；a+b·T表示惯性器件标度因数补偿，a表示其零次项系数，b表示其一次项系数；(c+d·T)表示惯性器件零偏补偿，c表示其零次项系数，d表示其一次项系数；ΔT为前n分钟，n=1,2,3……，惯性器件温度的变化值，建立改进后的惯性器件温度补偿模型如下：E=E(T)a+b·T+(c+d·T)+e·ΔT]]>式中：e为温度变化率系数；（2）温补数据采集：MEMS惯性测量单元的x轴指天，开启系统电源，以1Hz的频率，采集惯性器件和温度传感器输出数据；y轴指天，采集惯性器件和温度传感器输出数据；z轴指天，采集惯性器件和温度传感器输出数据；（3）温补数据预处理：对上一步采集得到惯性器件和温度传感器输出数据进行预处理，得到当前惯性器件温度T，T温度下惯性器件输出值E(T)、及前n分钟，n=1,2,3……，惯性器件温度的变化值ΔT；（4）温补误差模型参数寻优：获得加速度计不同温度下的输出数据E(T)，以及对应的温度数据T和温度变化数据ΔT；（5）温度补偿：获得加速度计温度误差模型参数a,b,c,d,e，当惯性测量单元正常工作后，可得到加速度计输出数据E(T)和对应的温度数据T，温度变化ΔT，最终得到加速度计温度补偿后的输出值。...

【技术特征摘要】
1.一种MEMS惯性测量单元冷启动时温度误差补偿方法，其特征在于：
（1）选取温度误差补偿模型：
MEMS加速度计的静态数学模型：
Aind=EK=B+ai]]>式中：
Aind—仪表指示的加速度值；
E—加速度计的输出；
K—标度因数；
B—偏值；
ai—输入加速度；
加速度计模型系数偏值B、标度因数K与温度T的数学模型：
B(T)＝SB0+SB1T
K(T)＝SK0+SK1T
式中：
SB0—加速度计偏值的零阶温度模型系数；
SB1—加速度计偏值的一阶温度模型系数；
SK0—加速度计标度因数的零阶温度模型系数；
SK1—加速度计标度因数的一阶温度模型系数；
得到不同温度时的加速度计输出E(T)：
E(T)SK0+SK1T=SB0+SB1T+ai]]>在T为室温T0时：
E(T0)K(T0)=B(T0)+ai⇔EK=B+ai]]>ai=E(T)SK0+SK1T-(SB0+SB1T)=EK-B]]>得温度补偿公式：
E=[E(T)SK0+SK1T+(B-SB0-SB1T)×K=E(T)SK0K+SK1KT+(BK-SB0K)-SB1K×T⇔E=1a+bT×E(T)+c+dT]]>针对惯性器件温度补偿模型：
E=E(T)a+b·T+(c+d·T)]]>式中：

【专利技术属性】
技术研发人员：何昆鹏，韩继韬，曾建辉，周雪梅，于文浩，王兴彬，单飞，王晨阳，胡守雷，王志强，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23