一种面向高动态应用环境的MEMS陀螺标定方法技术

本发明专利技术公开了一种面向高动态应用结果的MEMS陀螺标定方法。本发明专利技术通过分析标度因数和交叉耦合系数两大因素对陀螺输出的影响，将传统的标定模型进行泰勒展开，形成高阶标定模型，实现对高动态环境下的交叉耦合系数误差、标度因数误差进行补偿，增加了准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向高动态应用环境的MEMS陀螺标定方法
本专利技术涉及本专利技术公开了一种面向高动态应用环境的MEMS陀螺标定方法，属于高动态环境下的MEMS陀螺仪标定领域。
技术介绍
低成本MEMS陀螺仪由于其具有体积小、功耗低以及抗高过载的优点，已经广泛应用于高旋体姿态测量中。针对传统陀螺仪标定的情况下(即非高动态环境下)，目前主要是建立包含交叉耦合系数误差、标度因数误差和零偏误差的数学模型，利用高精度转台作为参考速率输入，采用均值法完成标定参数解算，该模型考虑了三种误差参量(交叉耦合系数误差、标度因数误差和零值偏移误差)，且利用数据段均值的方法进行参数的求解。但是，高旋体飞行过程中具有高过载和高转速的高动态特点，使得陀螺仪测量存在较大的交叉耦合系数误差、标度因数误差和零值偏移误差，且容易激励出高阶误差项，而传统方法却无法有效的补偿相关误差，因此，对MEMS陀螺仪进行高精度的误差标定与补偿已经成为实现高旋体精确姿态测量不可或缺的一个重要环节，且建立综合考虑上述误差因素的标定数学模型，以及寻求最优参数的求解方案是亟需解决的问题。此外，针对传统陀螺仪标定的求解问题，通常采用最小二乘或其衍生算法进行模型求解。但该种方法未充分利用全局数据，此外，在高动态环境下，由于较大干扰，使得MEMS陀螺仪输出数据中存在有色噪声。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种面向高动态应用环境的MEMS陀螺标定方法，能够有效的消除由于高动态环境下带来的高阶误差项，同时充分利用全局数据，消除有色噪声，提高陀螺仪的标定精度。一种面向高动态应用结果的MEMS陀螺标定方法，基于改进的MEMS陀螺标定模型进行标定，其中，所述改进的MEMS陀螺标定模型的获得方法为：对传统MEMS陀螺标定模型进行泰勒级数展开，获得高阶标定模型，之后将获得的高阶标定模型转换为最小二乘递推算法的形式，并在此基础上采用广义最小二乘法进行解算，进而获得改进的MEMS陀螺标定模型。较佳地，在采用广义最小二乘法进行解算时，分别对新数据和旧数据赋值不同的权重系数，提高新数据的辨识度，降低旧数据的饱和度。有益效果：1、本专利技术通过分析标度因数和交叉耦合系数两大因素对陀螺输出的影响，将传统的标定模型进行泰勒展开，形成高阶标定模型，实现对高动态环境下的交叉耦合系数误差、标度因数误差进行补偿，增加了准确性。2、本专利技术通过分析高动态环境对陀螺输出二次项误差的激励作用，建立陀螺仪高阶标定模型；提出一种改进广义最小二乘递推算法，引入指数递减加权遗忘因子，削弱旧数据对噪声模型更新的影响。相比于传统陀螺仪标定方法，不仅解决了标定模型中存在有色噪声的问题，而且解决了估计噪声模型参数时存在数据饱和的现象，增强当前数据的可信度，削弱旧数据对参数估计的影响。保证参数估计的无偏、一致性，有效的提高陀螺仪标定精度。附图说明图1是固定陀螺仪固件与载体转动示意图；图2为x轴运动对z轴陀螺仪输出影响，其中，图2(a)是载体系与陀螺仪安装系关系；图2(b)x轴运动在z′轴上的投影图；图3(a)至图3(f)为陀螺仪六位置标定编排；图4为改进广义最小二乘递推算法参数估计回路。具体实施方式下面结合附图并举两个实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供一种面向高动态应用环境的MEMS陀螺标定方法，如图1所示，具体方法为：首先，对高动态环境下，即:在过载>10000g、速度>500m/s、转速>10r/s的环境下，分别分析标度因素与交叉耦合系数对陀螺仪的输出结果的影响：(1)标度因数对陀螺仪输出的影响在不考虑其他因素的影响下，陀螺仪输入输出关系如下所示：ωout＝kfactorωin(1)式中，ωout为陀螺仪输出值，ωin为转台转速。kfactor为标度因数，且kfactor＝k±Δk，k为传统标定方法可标定的参数，但是在高动态环境下，难以保证该参数的精确标定，从而存在一定的误差余量Δk。假设余量Δk＝10-3，对于低动态环境下，如果ωi＝100°/s时，标度因数产生的误差为Δkωi＝0.1°/s；对于高动态环境下，如果ωi＝3600°/s时，误差为Δkωi＝3.6°/s。陀螺仪输出值ωout的误差将在姿态解算过程中被进一步放大，通常高旋体飞行时间为60-100s，而陀螺仪工作时间为30-50s，所以估算低动态环境下角速率误差带来的姿态角误差大约为3-5°；而高动态环境下角速率误差带来的姿态角误差大约为108-180°，误差为低动态环境下的36倍。因此，在高动态环境下，由标度因数带来的误差较大，不可以忽略。(2)交叉耦合系数对陀螺仪输出的影响定义坐标系：o-xyz为载体系，x轴为旋转轴，y轴为俯仰轴，z轴为偏航轴；o-x′y′z′为陀螺仪安装系。假设陀螺仪封装固件长度为L，质量为m，安装误差角为φx，载体转动时示意图如图1所示。根据图1可知陀螺仪受到的离心力F为：F＝mωout2Lsinφx(2)由式(2)可知，陀螺仪所受离心力随着载体转速的增加呈现二次幂增加；当载体高速旋转时，陀螺仪所受的离心力急剧增加，陀螺仪固件会发生一定的形变，导致安装误差角随着转速的增大逐渐变大。以x轴(旋转轴)转动对z轴(偏航轴)输出影响为例，当载体绕x轴以角速率ωx旋转时，陀螺仪敏感载体运动角速率为ωx′，具体如图2(a)所示，该运动在z′轴上的投影如2(b)所示。由图2(a)和2(b)可知，旋转轴以角速率ωx旋转时，偏航轴陀螺仪敏感角速率Δωz,x为：Δωz,x＝ωxsinφxcosα(3)式中，φx为x轴安装误差角，α为ωx在oy′z′平面内与z′轴夹角。综上所述，通常在载体转速较低时，可认为φx和α为常值，因此存在x轴对z轴影响的交叉耦合项然而，在高动态环境下，载体运动角速率非常大，受到离心力的作用导致陀螺仪封装硬件发生形变，从而使得φx值变大。因此，在高动态环境下，由交叉耦合系数带来的误差较大，不可以忽略。本专利技术的主要创新是从炮弹飞行过程中的动力学特性开始分析，进一步考虑轴与轴之间的交叉干扰问题，确定交叉耦合系数在高动态环境下是变化的量。基于上述分析，由于陀螺仪与转台绑定，故本专利技术利用高精度转台作为参考速率输入，采用六位置标定方案，对于x轴设置转台依次按一定转速运动，y轴和z轴静止；对于y轴设置转台依次按一定转速运动，x轴和z轴静止；对于z轴设置转台依次按一定转速运动，x轴和y轴静止；每一种运动状态记录等时间长度数据。具体见附图3(a)至图3(f)。传统的标定模型为：式中，ωp(p＝x,y,z)表示采用陀螺仪实际测量转台上x轴、y轴和z轴的测量值；表示转台x轴、y轴和z轴真实角速率值；bp(p＝x,y,z)表示陀螺仪在x轴、y轴和z轴上的零值偏移；kpp(p＝x,y,z)表示陀螺仪在x轴、y轴和z轴上的标度因数；kpq(p＝x,y,z；q＝x,y,z；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向高动态应用结果的MEMS陀螺标定方法，其特征在于，基于改进的MEMS陀螺标定模型进行标定，其中，所述改进的MEMS陀螺标定模型的获得方法为：对传统MEMS陀螺标定模型进行泰勒级数展开，获得高阶标定模型，之后将获得的高阶标定模型转换为最小二乘递推算法的形式，并在此基础上采用广义最小二乘法进行解算，进而获得改进的MEMS陀螺标定模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向高动态应用结果的MEMS陀螺标定方法，其特征在于，基于改进的MEMS陀螺标定模型进行标定，其中，所述改进的MEMS陀螺标定模型的获得方法为：对传统MEMS陀螺标定模型进行泰勒级数展开，获得高阶标定模型，之后将获得的高阶标定模型转换为最小二乘递推算法的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓志红，汪进文，梁新宇，苗志豪，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11