标量域MEMS惯性系统标定方法技术方案

本发明专利技术涉及本发明专利技术公开了一种标量域MEMS惯性系统标定方法，解决了MEMS惯性导航系统简化误差参数标定的问题。本发明专利技术的主要步骤为：步骤一：建立表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；步骤二：进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；步骤三：进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；步骤四：利用迭代优化算法实现误差参数估计；步骤五：标量域标定姿态变化次数为M，若k＝M，则输出估计的误差参数，完成标定过程，若k＜M，表示标定过程未完成，则重复上述步骤二至步骤五，直至标定过程结束。

【技术实现步骤摘要】
标量域MEMS惯性系统标定方法
本专利技术涉及MEMS，特别是涉及标量域MEMS惯性系统标定方法。
技术介绍
当前MEMS微惯性系统正越来越多的被应用到军民及工业领域，其高性价比、低功耗特性越来越具有更加广阔的应用前景。由于MEMS惯性系统在测量精度、测量噪声等方面存在较大的缺陷，因此在实际使用过程中需要对其误差进行标定。当前常用的标定方法均需要可靠的外部参考设备，这往往不适合于低廉的MEMS惯性系统标定。同时，传统的标定过程通常会对惯性系统的二次误差项等参数进行标定，以提高系统测量精度。而在MEMS惯性系统中，由于传感器本身测量噪声较大，通常不需要标定到二次误差项，因此如何在没有高精度的外部参考设备条件下，实现惯性系同一次误差标定，消除主要误差，成为当前MEMS惯性系统误差标定的主要研究目标。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种标量域MEMS惯性系统标定方法，在对MEMS惯性系统误差建模的基础上，采用简化模型进行表示，并利用迭代优化计算方法实现误差参数的计算。一种标量域MEMS惯性系统标定方法，包括：建立表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；利用迭代优化算法实现误差参数估计。上述标量域MEMS惯性系统标定方法，本专利技术采用简化MEMS惯性系统误差模型，具有计算简便的优点；本专利技术设计标量域参数标定过程，结合迭代优化算法实现参数估计，具有高效简便的优点；本专利技术采用三轴旋转及矩阵分解算法，实现陀螺仪误差参数估计，具有计算简便、精确的优点。在另外的一个实施例中，“建立表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；”具体包括：由MEMS加速度计量测模型可知：ua＝TaSa(ya-ba)式中，ua表示真实加速度；Ta表示轴向非正交矩阵；Sa表示比例因子矩阵；ya表示加速度计测量加速度；ba表示加速度零偏误差；其中，轴向非正交矩阵Ta及比例因子矩阵Sa可以表示为：式中，αxy表示x轴和y轴之间的不正交误差角；αzx表示z轴和x轴之间的不正交误差角；αzy表示z轴和y轴之间的不正交误差角；由陀螺仪量测模型可知：ug＝MgTgSg(yg-bg)式中，ug表示真实输入角速度；Tg表示轴向非正交矩阵；Sg表示比例因子矩阵；表示陀螺仪与转速机构之间的安装误差角；yg表示陀螺仪测量加速度；ba表示陀螺仪零偏误差；对上式进行转换可得：yg-bg＝(Sg)-1(Tg)-1(Mg)Tug＝LgHgCgug式中，Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；ug表示真实输入角速度；Tg表示轴向非正交矩阵；Sg表示比例因子矩阵；表示陀螺仪与转速机构之间的安装误差角；yg表示陀螺仪测量加速度；ba表示陀螺仪零偏误差；其中，轴向非正交矩阵的逆矩阵Hg以及比例因子矩阵的逆矩阵Lg可以表示为：在另外的一个实施例中，“进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；”具体包括：固定其中一个轴水平朝东，沿该轴向旋转，每隔45°记录一下加速度计静止时刻的输出；然后，换一个轴水平朝东，继续沿该轴旋转，每隔45°记录一下加速度计静止时刻的输出；依次完成3个轴向共24个位置的数据采集。在另外的一个实施例中，“进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；”具体包括：固定陀螺仪的一个敏感轴与旋转轴同向，采集30s数据，对其进行取均值，实现零偏误差的标定；然后，以固定角速度ug1旋转，采集10s中数据，并对数据进行累积求和，实现随机误差的消除；最后，换一个轴向，继续标定零偏以及采集旋转数据，直到三个轴向全部旋转完成；因此，可以得到旋转参考角速度累积组合矩阵Ug和量测加速度累积组合矩阵Yg，两个矩阵可以分别表示为：式中，Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；Yg表示量测加速度累积组合矩阵；ug1表示第一次旋转角速率；ug2表示第二次旋转角速率；ug3表示第三次旋转角速率；[yg1xyg1yyg1z]T表示第一次旋转陀螺仪量测加速度；[yg2xyg2yyg2z]T表示第二次旋转陀螺仪量测加速度；[yg3xyg3yyg3z]T表示第三次旋转陀螺仪量测加速度。在另外的一个实施例中，“利用迭代优化算法实现误差参数估计。”具体包括：由MEMS加速度计误差模型可知，其测量加速度与重力矢量在静止条件下满足如下代价函数：式中，x表示加速度计误差模型中的9个未知参数构成的矢量；ya，i(x)表示24个位置上测量的重力加速度；G表示当地重力值；通过利用迭代算法，设定初始参数值，可以实现误差参数的优化估计；在陀螺仪误差标定过程中，假设每次旋转之前的30s数据均值偏差为零偏误差，因此去除零偏误差之后的3次旋转得到如下的等式关系：Υg＝LgHgCgUg式中，Υg＝Yg-Bg，Bg表示三次旋转之前静止条件下均值零偏构成的矩阵；Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；因此，进行矩阵变换可得：式中，Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；对上式进行矩阵运算可得：式中，Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；由方向余弦矩阵的归一化特性可知：式中，Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；采用Cholesky分解可得：式中，Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；chol[]表示进行Cholesky分解运算；由于Lg为对角矩阵，Hg为下三角矩阵，因此可以采用LU分解计算：式中，Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；chol[]表示进行Cholesky分解运算；LU[]表示进行LU分解运算；利用Lg和Hg，可以计算安装误差旋转矩阵：式中，Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；Υg表示三次旋转之前静止条件下消除零偏后陀螺仪量测构成的矩阵；Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵。一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种标量域MEMS惯性系统标定方法，其特征在于，包括：建立所述表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；利用迭代优化算法实现误差参数估计。

【技术特征摘要】
1.一种标量域MEMS惯性系统标定方法，其特征在于，包括：建立所述表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；利用迭代优化算法实现误差参数估计。2.根据权利要求1所述的标量域MEMS惯性系统标定方法，其特征在于，“建立表量化MEMS惯性导航系统传感器误差模型；”具体包括：由MEMS加速度计量测模型可知：ua＝TaSa(ya-ba)式中，ua表示真实加速度；Ta表示轴向非正交矩阵；Sa表示比例因子矩阵；ya表示加速度计测量加速度；ba表示加速度零偏误差；其中，轴向非正交矩阵Ta及比例因子矩阵Sa可以表示为：式中，αxy表示x轴和y轴之间的不正交误差角；αzx表示z轴和x轴之间的不正交误差角；αzy表示z轴和y轴之间的不正交误差角；由陀螺仪量测模型可知：ug＝MgTgSg(yg-bg)式中，ug表示真实输入角速度；Tg表示轴向非正交矩阵；Sg表示比例因子矩阵；表示陀螺仪与转速机构之间的安装误差角；yg表示陀螺仪测量加速度；ba表示陀螺仪零偏误差；对上式进行转换可得：yg-bg＝(Sg)-1(Tg)-1(Mg)Tug＝LgHgCgug式中，Cg为安装误差角对应的方向余弦矩阵；Hg表示轴向非正交矩阵的逆矩阵；Lg表示比例因子矩阵的逆矩阵；ug表示真实输入角速度；Tg表示轴向非正交矩阵；Sg表示比例因子矩阵；表示陀螺仪与转速机构之间的安装误差角；yg表示陀螺仪测量加速度；ba表示陀螺仪零偏误差；其中，轴向非正交矩阵的逆矩阵Hg以及比例因子矩阵的逆矩阵Lg可以表示为：3.根据权利要求1所述的标量域MEMS惯性系统标定方法，其特征在于，“进行载体翻转运动，采集多个位置数据，完成MEMS加速度计标定有效数据获取；”具体包括：固定其中一个轴水平朝东，沿该轴向旋转，每隔45°记录一下加速度计静止时刻的输出；然后，换一个轴水平朝东，继续沿该轴旋转，每隔45°记录一下加速度计静止时刻的输出；依次完成3个轴向共24个位置的数据采集。4.根据权利要求1所述的标量域MEMS惯性系统标定方法，其特征在于，“进行载体转速运动，变化载体方位，完成MEMS陀螺仪标定数据获取；”具体包括：固定陀螺仪的一个敏感轴与旋转轴同向，采集30s数据，对其进行取均值，实现零偏误差的标定；然后，以固定角速度ug1旋转，采集10s中数据，并对数据进行累积求和，实现随机误差的消除；最后，换一个轴向，继续标定零偏以及采集旋转数据，直到三个轴向全部旋转完成；因此，可以得到旋转参考角速度累积组合矩阵Ug和量测加速度累积组合矩阵Yg，两个矩阵可以分别表示为：式中，Ug表示旋转参考角速度累积组合矩阵；Yg表示量测加速度累积组合矩阵；ug1表示第一次旋转角速率；ug2表示第二次旋转角速率；ug3表示第三次旋转角速率；[yg1xyg1yyg1z]T表示第一次旋转陀螺仪量测加速度；[yg2xyg2yyg2z]T表示第二次旋转陀螺仪量测加速度；[yg3xyg3yyg3z]T表示第三次旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐祥，徐大诚，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32