一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法技术

本发明专利技术属于捷联惯导系统技术领域，具体涉及一种冗余式MEMS‑IMU的降噪处理后的标定方法。本发明专利技术方法采用器件级冗余配置的MEMS捷联惯导系统，针对冗余式MEMS‑IMU特别设计了结合降噪技术的标定方案。根据冗余配置方案计算在载体系上等效的三轴冗余式MEMS‑IMU量测值，进行降噪处理，根据降噪后的数据进行标定，对冗余式MEMS‑IMU量测值进行降噪后的标定补偿。本发明专利技术方法不仅能够提高MEMS捷联惯导系统的可靠性，并且降低了噪声对量测数据的干扰，可以标定出冗余式MEMS‑IMU的误差参数，进行标定补偿，提高了冗余式MEMS‑IMU的精度，实现了MEMS惯导系统的可靠性和精度的提高，提升了导航性能，保证了系统可以长期有效的工作。

【技术实现步骤摘要】
一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法
本专利技术属于捷联惯导系统
，具体涉及一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法。
技术介绍
传统的捷联惯导系统采用三个惯性器件两两正交的安装方式，通过测量载体的角运动，进行导航参数的解算，当任一惯性器件故障时，无法继续进行导航参数的解算，可靠性不能满足实际工作需要。另外，惯性器件的常值误差，标度因数等误差是影响器件精度的重要因素，惯性器件需要进行标定后才能使用，由于冗余配置方式复杂，提高了冗余式MEMS-IMU的标定的难度，且量测值常受到环境的噪声干扰，对于中低精度惯性器件噪声干扰尤为明显，影响到标定的精度。增加惯性器件进行冗余配置，可以提高系统的可靠性，同时，采用EMD方法对冗余式MEMS-IMU进行降噪，减小环境噪声对量测值的干扰，并且对冗余式MEMS-IMU进行在线标定，可以得到冗余式MEMS-IMU的误差参数，进行误差补偿，提高冗余式MEMS-IMU的精度，从而提高系统导航精度。因此冗余式MEMS-IMU高精度标定方法，可以提高系统的可靠性和精度，提升了导航性能，保证了系统可以长期有效的工作，具有很高的工程应用价值。现有的提升捷联惯导性能的方法，采用冗余技术或标定技术，仅能单一的提高系统的可靠性或导航精度。程建华等人在发表于期刊《传感器与微系统》的《一种对称斜置式四陀螺惯导冗余配置方案》一文中，提出了四陀螺对称斜置的配置方案，符合导航特性最优的条件，提高了系统的可靠性。但是该方法没有考虑到惯性器件误差对导航精度的影响，仅仅提高了系统的可靠性。刘万科等人在发表于期刊《中国惯性技术学报》的《基于匀速率26位置法的iIMU-FSAS光纤陀螺仪标定》一文中，设计实验室标定方案，提出了由外框轴提供稳定转速的匀速率26位置法标定方案，对惯性器件的误差参数进行了标定。但是该方案为实验室标定，有一定的局限性，没有考虑到环境噪声的干扰对陀螺仪标定的影响，对于中低精度的MEMS惯导系统，无法得到正确的标定结果，并且存在陀螺仪出现故障时，系统失效的问题。综上所述，现有的捷联惯导性能提升方法没有兼顾可靠性和精度，没有考虑到环境噪声对冗余配置下陀螺仪的标定效果的影响，限制了实际的工作效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高系统可靠性和精度的冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法，包括以下步骤：(1)增加MEMS捷联惯导惯性器件的数目，采用冗余配置方案，构成冗余式捷联惯导系统，进行误差分析，完成冗余式MEMS-IMU的误差建模；(2)安装冗余MEMS捷联惯导系统，构建MEMS-IMU处理器的硬件平台，采用FPGA采集MEMS传感器的数据，将采集到的数据发送给ARM进行数据处理；(3)采用限幅EMD方法，对步骤2中的冗余MEMS捷联惯导系统采集的数据进行降噪处理；(4)采用降噪后的冗余式MEMS-IMU量测数据进行标定试验，对MEMS-IMU的常值误差，标度因数和安装误差进行在线标定；(5)将步骤4计算得到的误差参数代入冗余式MEMS-IMU误差模型，对MEMS陀螺降噪后的量测值进行补偿，得到降噪后的标定补偿值：步骤3的限幅EMD降噪方法具体包括：(3.1)依赖已有的时域采样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了干扰，除去；(3.2)初始化，令r1(t)＝x(t),i＝1,k＝0；(3.3)获得i个IMF信号，初始化，令h1(t)＝r1(t)；找出hk(t)的所有极大值和极小值点；通过三次样条插值函数分别对极大值点和极小值点进行拟合，得到上下包络线；计算上下包络线的均值mk(t)；hk+1(t)＝hk(t)-mk(t)；若SD为门限值，则imfi(t)＝hk(t)，否则k＝k+1，转到步骤3.4；(3.4)rk+1(t)＝rk(t)-imfk+1(t)，判断余量是否为单调函数或是常量，如果是，则EMD分解结束，分解结果为(3.5)在冗余式MEMS-IMU降噪处理中，x(t)为输出信号，进行EMD分解后，去除高频imfi(t)噪声，选取采集的低频有效数据令进行下一步的标定试验。步骤4的标定具体包括：(4.1)状态方程为：其中k，b分别为标度因数，常值误差，mu，mv为安装误差；(4.2)量测方程为：Δωm为冗余式MEMS-IMU量测误差即陀螺仪和加速度计量测误差，ωm为冗余式MEMS-IMU量测值即陀螺仪和加速度计量测值，H为冗余配置矩阵，ωb为三轴理想数值；(4.3)确定状态矩阵和量测矩阵后，采用Kalman算法估计冗余式MEMS-IMU的误差参数。本专利技术的有益效果在于：本专利技术创新的将冗余技术、降噪技术和标定技术有效的设计结合，在某一惯性器件发生故障时仍能提供准确的量测数据进行导航解算，采用限幅EMD降噪技术，减小环境噪声对量测的干扰，设计了冗余式MEMS-IMU标定方案，在线标定了冗余式MEMS-IMU的误差参数，并且进行标定补偿，提高了冗余式MEMS-IMU量测精度，同时提高了系统的可靠性和导航精度，具有低成本、通用性强和环境适应性好的优势，因此本专利技术具有很高的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术提出的冗余MEMS捷联惯导系统性能提升方法的基本流程框图；图2为本专利技术验证试验所采用的四面体冗余配置MEMS；图3为Matlab仿真下载体在线标定机动方案；图4为Matlab仿真下陀螺仪标度因数误差估计；图5为Matlab仿真下陀螺仪常值漂移误差估计；图6为冗余MEMS陀螺仪采集数据；图7为采用未处理MEMS陀螺仪数据标定出的陀螺仪的标度因数；图8为采用未处理MEMS陀螺仪数据标定出的陀螺仪的常值误差；图9为限幅EMD降噪处理后MEMS陀螺仪数据；图10为MEMS陀螺仪数据降噪处理后标定出的陀螺仪标度因数；图11为MEMS陀螺仪数据降噪处理后标定出的陀螺仪的常值误差；图12为四面体冗余配置下理想四个陀螺仪的角速率数值；图13为限幅EMD降噪后MEMS陀螺仪标定补偿值。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术提出了一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法，其流程图如附图1所示，系统结构如图2所示，以冗余式MEMS-IMU陀螺仪标定为例，本专利技术方法的主要步骤如下：(1)增加MEMS捷联惯导陀螺仪的数目，采用冗余配置方案，构成冗余式捷联惯导系统，进行陀螺仪的误差分析，完成陀螺仪的误差建模。(1.1)常值误差当敏感元件没有输入时，所输出的值即为常值误差。冗余配置中陀螺仪的常值误差定义为b：b＝[b1b2…bi]Ti＝1,2,…,n，b1、b2、…、bi为安装在不同轴向的陀螺仪常值误差引起的量测误差。(1.2)标度因数输出信号变化量与被测输入角速率变化量之比的误差。标度因数误差般用输出信号的误差与输入角速率的比值表示，用ki。设ωmk为由标度因数产生的陀螺仪量测误差：i＝1,2,…,n，k1、k2、…、ki为安装在四个轴向的陀螺仪标度因数误差，ωm1、ωm2、…、ωmi为n个冗余陀螺的量测值。(1.3)安装误差在冗余陀螺仪安装的时候，由于工艺水平的限制，各个陀螺装配后的位置与预期位置之间存在安装误差，影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余式MEMS‑IMU的降噪处理后的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)增加MEMS捷联惯导惯性器件的数目，采用冗余配置方案，构成冗余式捷联惯导系统，进行误差分析，完成冗余式MEMS‑IMU的误差建模；(2)安装冗余MEMS捷联惯导系统，构建MEMS‑IMU处理器的硬件平台，采用FPGA采集MEMS传感器的数据，将采集到的数据发送给ARM进行数据处理；(3)采用限幅EMD方法，对步骤2中的冗余MEMS捷联惯导系统采集的数据进行降噪处理；(4)采用降噪后的冗余式MEMS‑IMU量测数据进行标定试验，对MEMS‑IMU的常值误差，标度因数和安装误差进行在线标定；(5)将步骤4计算得到的误差参数代入冗余式MEMS‑IMU误差模型，对MEMS陀螺降噪后的量测值进行补偿，得到降噪后的标定补偿值：

【技术特征摘要】
1.一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)增加MEMS捷联惯导惯性器件的数目，采用冗余配置方案，构成冗余式捷联惯导系统，进行误差分析，完成冗余式MEMS-IMU的误差建模；(2)安装冗余MEMS捷联惯导系统，构建MEMS-IMU处理器的硬件平台，采用FPGA采集MEMS传感器的数据，将采集到的数据发送给ARM进行数据处理；(3)采用限幅EMD方法，对步骤2中的冗余MEMS捷联惯导系统采集的数据进行降噪处理；(4)采用降噪后的冗余式MEMS-IMU量测数据进行标定试验，对MEMS-IMU的常值误差，标度因数和安装误差进行在线标定；(5)将步骤4计算得到的误差参数代入冗余式MEMS-IMU误差模型，对MEMS陀螺降噪后的量测值进行补偿，得到降噪后的标定补偿值：2.根据权利要求1所述的一种冗余式MEMS-IMU的降噪处理后的标定方法，其特征在于，步骤3的限幅EMD降噪方法具体包括：(3.1)依赖已有的时域采样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了干扰，除去；(3.2)初始化，令r1(t)＝x(t),i＝1,k＝0；(3.3)获得i个IMF信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：程建华，刘明，蔡静，康瑛瑶，王振民，
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