一种MEMS陀螺仪g值敏感系数的标定方法技术

本发明专利技术涉及一种MEMS陀螺仪g值敏感系数的标定方法。通过将MEMS陀螺仪固定在转台上旋转多个位置进行数据采集，并对采集的数据进行均值化平滑处理、零偏求取、误差建模的方法求取g值敏感系数，并对g值敏感误差进行补偿，最后对g值敏感误差补偿效果的验证和评估。该种方法减小了高精度MEMS陀螺仪输出的固定偏差，提高了高性能MEMS陀螺仪在动态情况下的测量精度和性能。

Calibration method for G sensitive coefficient of MEMS gyroscope

The present invention relates to a calibration method for G sensitive coefficient of MEMS gyroscope. The data acquisition of MEMS gyroscope fixed on the turntable rotating a plurality of positions, and in collecting data for mean value smoothing, zero offset calculation, error modeling method to calculate the g value and g value of the sensitive coefficient, sensitive error compensation, the final value to verify and evaluate the sensitive error compensation effect on G. This method reduces the fixed deviation of the high precision MEMS gyroscope output, and improves the measurement accuracy and performance of the high performance MEMS gyroscope in the dynamic situation.

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS陀螺仪g值敏感系数的标定方法
本专利技术涉及一种MEMS陀螺仪g值敏感系数的标定方法。
技术介绍
MEMS陀螺仪由于特殊的加工工艺和设计原理，其角速率输出精度的影响因素区别于传统的激光和光纤MEMS陀螺仪，存在由加速度所引入的测量误差，称之为g值敏感误差。在消费级和商业应用中，由于所选用的MEMS陀螺仪的零偏稳定性较差，高达几百度每小时，且应用过程中绝大多数工作在低动态环境下，加速度相对较小，因此由g值敏感系数所引起的MEMS陀螺仪输出误差相对MEMS陀螺仪其他误差(如零偏不稳定性误差)幅值较小，其在导航系统中的影响经常被忽略。因而，很少有参考文献关注g值敏感系数的标定和补偿研究。近几年来，随着MEMS陀螺仪性能的不断提升，MEMS陀螺仪静态输出的零偏稳定性的性能得到了很大程度的改善(如一些产品达到几度每小时，甚至一度每小时以下的水平)，已经达到了战术级标准。然而，虽然某些高精度MEMS陀螺仪产品中零偏稳定性指标非常接近，但其g值敏感系数指标却会相差几十倍，因此以往我们在激光和光纤MEMS陀螺仪领域采用MEMS陀螺仪零偏稳定性作为EMS陀螺仪性能优劣的评估方式在MEMS陀螺仪的性能评估方面已经显得不够准确，尤其是动态使用性能，g值敏感系数指标将会对高精度MEMS陀螺仪的动态使用精度产生影响。因此，在衡量MEMS陀螺仪综合使用性能方面，MEMS陀螺仪的g值敏感系数指标也是影响MEMS陀螺仪的最终使用性能的重要指标之一。在这些高性能的MEMS陀螺仪中由g值敏感系数所引起的MEMS陀螺仪角速率输出误差不能被轻易忽略，需要对g值敏感系数进行标定，并对其所引起的MEMS陀螺仪输出误差进行补偿，从而来提高高性能MEMS陀螺仪在动态情况下的测量精度和性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种MEMS陀螺仪g值敏感系数在线标定方法，它弥补了上述缺陷，针对标定出的g值敏感系数进行补偿后，减小了高精度MEMS陀螺仪的固定误差，同时该MEMS陀螺仪用于惯导解算时可以进一步提高导航结算精度。具体标定步骤如下：S1，将惯性测量元件固定安装在参数标定转台上，并且通过数据接口与数据采集系统相连接，所述的惯性测量元件包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪；S2，待惯性测量元件固定安装后，操控转台按一定顺序旋转N个位置，并在每个位置处采集惯性测量元件的输出数据，其中16≥N≥9；S3，对在上述N个位置的惯性测量元件采集数据的均值化平滑处理；S4，对均值化平滑处理后的惯性测量元件中的陀螺仪进行零偏计算和误差建模；S5，基于线性最小二乘法的g值敏感系数求解；S6，g值敏感误差的补偿。S7，g值敏感误差补偿效果的验证和评估。进一步地，S2中所述的在每个位置处采集惯性测量元件的输出数据，每次采集时保持静止至少20分钟。进一步地，在S6的步骤之后还可以包括对g值敏感误差的补偿效果进行验证和评估的步骤。进一步地，S2中所述的按一定顺序旋转N个位置，其中16≥N≥9，具体包括如下步骤：S21，惯性测量元件固定安装于转台上，将转台内框轴旋转0度、90度、180度、270度，并采集这4个位置的惯性测量元件的输出数据；S22，将转台其中一个外框轴旋转180度，然后在该位置处继续将转台内框轴旋转0度、90度、180度、270度，并采集这4个位置的惯性测量元件的输出数据；S23，采集完上述8个位置的惯性测量元件的输出数据后，将转台围绕内框轴或外框轴任意旋转至少1个位置，该位置与上述8个位置不重合。更进一步地，步骤S4中所述的零偏的计算是通过上述8个位置进行计算的。进一步地，S2中所述的按一定顺序旋转N个位置，其中16≥N≥12，具体为在旋转过程中MEMS陀螺仪每个轴所旋转到的两个位置在空间上构成180度夹角，在其余位置上MEMS陀螺仪的三轴指向分布离散。更进一步地，步骤S4中所述的对均值化平滑处理后的惯性测量元件中的MEMS陀螺仪进行零偏计算和建模具体为先对MEMS陀螺仪进行误差建模再求取零偏。进一步地，S2中所述的按一定顺序旋转N个位置，其中N＝16。更进一步地，步骤S4中所述的对均值化平滑处理后的惯性测量元件中的MEMS陀螺仪进行零偏计算和建模具体为先对MEMS陀螺仪进行零偏求取再进行误差建模。综上所述，本申请提供一种MEMS陀螺仪g值敏感误差系数在线标定方法，通过将MEMS陀螺仪固定在转台上旋转多个位置进行数据采集，并对采集的数据进行均值化平滑处理、零偏求取、误差建模的方法求取g值并进行补偿，减小了高精度MEMS陀螺仪输出的固定偏差，提高了解算精度。附图说明参考所附附图，以更加充分的描述本专利技术的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本专利技术范围的限制。图1为本专利技术的实施例一中的g值敏感系数在线标定流程图。图2为本专利技术的实施例一中的陀螺仪在转台上旋转的示意图。图3为本专利技术的实施例二中的g值敏感系数在线标定流程图。图4为本专利技术的实施例二中的陀螺仪在转台上旋转的示意图。图5为本专利技术的实施例三中的g值敏感系数在线标定流程图。图6为本专利技术的实施例三中的陀螺仪在转台上旋转的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本专利技术作进一步的说明，但是不作为本专利技术的限定。本申请提供一种MEMS陀螺仪g值敏感系数在线标定方法，通过将MEMS陀螺仪固定在转台上旋转多个位置进行数据采集，并对采集的数据进行均值化平滑处理、零偏求取、误差建模的方法求取g值并进行补偿，减小了高精度MEMS陀螺仪输出的固定偏差，提高了解算精度。实施例一如图1所示，为本专利技术实施例一的g值敏感系数标定方法流程图。在转台上采集高精度惯性测量元件9个位置的输出数据，9个位置需要满足的要求：当惯性测量元件固定安装于转台后，首先将转台内框轴旋转0度、90度、180度、270度，采集这四个位置的惯性测量元件输出数据，然后将转台其中一个外框轴旋转180度，接着在该位置处继续将转台内框轴分别旋转0度、90度、180度、270度，采集这四个位置的惯性测量元件输出数据。在采集了上述8个位置的惯性测量元件输出数据后，再将转台围绕内框轴或外框轴任意旋转1个位置，该剩余旋转的位置与上述8个位置不重合，转台旋转方式如图2所示。按照输入控制，转台旋转到设定好的每一位置，并且在设定的每一位置处，都静止采集至少20分钟的惯性测量元件输出数据。当采集了上述9个位置的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计输出数据后，保存所采集的数据。然后对每个位置采集的高精度MEMS陀螺仪和MEMS加速度计输出数据进行均值化平滑处理。均值化平滑处理后，得到9个位置的MEMS陀螺仪输出和MEMS加速度计输出进而求取均值化平滑处理后的MEMS陀螺仪零偏，为MEMS陀螺仪三轴零偏，求取过程如式(1)所示。之后，采用采用牛顿迭代方法和最小二乘法对g值敏感系数进行标定。包括：建立g值敏感系数标定模型，在模型基础上采用牛顿迭代法构建g值敏感系数迭代拟合估计的线性方程组，然后通过最小二乘法求解线性方程组，求取g值敏感系数。具体步骤如下：建立g值敏感系数的标定模型。经过均值化平滑处理后的MEMS陀螺仪的静态输出模型如式(2)所示，其中分别为每个位置处的地球自转角速率在惯性测量元件器件坐标系b系下X轴、Y轴、Z轴的投影，为每个位置处的MEMS加速度计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1，将惯性测量元件固定安装在参数标定转台上，并且通过数据接口与数据采集系统相连接，所述的惯性测量元件包括加速度计和陀螺仪；S2，待惯性测量元件固定安装后，操控转台按一定顺序旋转N个位置，并在每个位置处采集惯性测量元件的输出数据，其中16≥N≥9；S3，对在上述N个位置的惯性测量元件采集数据的均值化平滑处理；S4，对均值化平滑处理后的惯性测量元件中的陀螺仪进行零偏计算和误差建模；S5，基于线性最小二乘法的g值敏感系数求解；S6，g值敏感误差的补偿。S7，g值敏感误差补偿效果的验证和评估。

【技术特征摘要】
1.一种陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1，将惯性测量元件固定安装在参数标定转台上，并且通过数据接口与数据采集系统相连接，所述的惯性测量元件包括加速度计和陀螺仪；S2，待惯性测量元件固定安装后，操控转台按一定顺序旋转N个位置，并在每个位置处采集惯性测量元件的输出数据，其中16≥N≥9；S3，对在上述N个位置的惯性测量元件采集数据的均值化平滑处理；S4，对均值化平滑处理后的惯性测量元件中的陀螺仪进行零偏计算和误差建模；S5，基于线性最小二乘法的g值敏感系数求解；S6，g值敏感误差的补偿。S7，g值敏感误差补偿效果的验证和评估。2.根据权利要求1所述的陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，S2中所述的在每个位置处采集惯性测量元件的输出数据，每次采集时保持静止至少20分钟。3.根据权利要求1或2中任一项所述的陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，在S6的步骤之后还可以包括对g值敏感误差的补偿效果进行验证和评估的步骤。4.根据权利要求1或2中任一项所述的陀螺仪g值敏感系数标定方法，其特征在于，S2中所述的按一定顺序旋转N个位置，其中16≥N≥9，具体包括如下步骤：S21，惯性测量元件固定安装于转台上，将转台内框轴旋转0度、90度、180度、270度，并采集这四个位置的惯性测量元件的输出数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杭义军，邢丽，贾文峰，吕印新，
申请(专利权)人：极翼机器人上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31