本发明专利技术公开了一种用于倾角传感器的两轴加速度计参数校准方法，步骤如下：批量的待校准加速度计固定在同一块旋转板上；旋转平台在水平面附近做多次小于45度倾斜，进行批量采样记录；设置一个经过校准的加速度计用来生成初始参考标准值；对于任意两个加速度计，以姿态向量的内积与参考标准值的差值作为目标函数，计算所需的偏移值offset和标度因数scale的校准值；批量的待校准加速度计中的多个加速度计带入各自校准后的偏移值offset和标度因数scale，生成的新参考标准值通过累加求和的方式，得到噪声方差更小的参考标准值；迭代输出得到该批次全部加速度计的偏移值offset和标度因数scale的校准值。本发明专利技术在降低成本的同时保证了校准精度。时保证了校准精度。时保证了校准精度。
【技术实现步骤摘要】
一种用于倾角传感器的两轴加速度计参数校准方法
[0001]本专利技术涉及在重力场中通过旋转的方式校准两轴MEMS加速度计固有参数，属于MEMS加速度计校准方法的领域。
技术介绍
[0002]对于使用MEMS加速度计的重力倾角传感器，由于传感器本身制造工艺等问题，为达到更高的测量精度，使用前一般需要对加速度计的参数进行校准。在加速度计的模型方程中，偏移值offset和标度因数scale是影响精度的主要参数。目前加速度的校准方法主要有两种方法：重力旋转校准法和离心机校准法。
[0003]重力旋转校准法是指，将加速度计在天然固定的地球重力场中旋转多个角度，通过对方向恒定且大小为1g的重力进行测量，采集到多组传感器测量数据，并使用特定的数值计算方法求出所需校准的参数。
[0004]离心机校准法是指，使用精密离心机沿着加速度计的多个轴向旋转，并通过控制转速产生多个大于1g的加速度值，得到与精密离心机设定加速度值对应的多组传感器测量数据，以此计算出所需校准参数。例如CN106443072A的所公开的一种线加速度计的离心加速度场翻滚校准方法。
[0005]对于重力旋转校准法，其具体的实施方法主要有两种，椭球拟合法和多姿态旋转拟合法，两者的区别在于前提假设条件和计算的目标函数不同。
[0006]椭球拟合法需要三轴加速度传感器输出一个三维向量，地球重力会在加速度计的XYZ三个轴产生对应的加速度分量，这个向量的三个分量分别代表各个轴分量的测量值。椭球拟合法需要加速度计旋转很多不同的角度进行采样，这些三维向量的顶点会构成一个椭球面，通过最小二乘拟合，可以得到该椭球面的方程。对于理想加速度计，由于地球重力保持固定，得到的椭球面应该是一个正球面，而对于实际的加速度计，该椭球面的球心偏移则对应着传感器偏移值参数offset，椭球的三个轴长则对应着传感器XYZ三个轴的标度因数scale。
[0007]多姿态旋转拟合法也需要加速度计旋转多个角度，为了校准XYZ三个轴的偏移值offset和标度因数scale共计6个未知量，则至少需要旋转6个以上不同的角度。对于多姿态旋转拟合法，在1g的地球重力场中旋转，其假设对于理想的加速度计输出的三维向量的模应该为1。旋转6个以上不同的角度，则可以列出6个以上关于偏移值offset和标度因数scale的等式，构成一个线性方程组，解这个线性方程组即可得到所需校准参数。
[0008]现有方法存在一定的局限性。
[0009]对于离心机校准法，由于需要使用精密离心机，设备成本很高。并且加速度计安装在离心机的工作面上时需要精确对齐，保证加速度计中心与离心机旋转中心重合，这是一个费时费力且容易引入误差的过程。同时，对于倾角传感器的使用场景，仅检测1g的地球重力，XYZ各轴的加速度分量小于1g，使用精密离心机校准大于1g的范围并无太大意义。因此使用昂贵的精密离心机不是倾角传感器参数校准的理想选择。
[0010]对于重力旋转校准法，以椭球拟合法为例，其需要采集各个角度的旋转结果，为了使采样点构成一个完整的椭球面，旋转平台需要大角度的翻转和旋转，这需要旋转平台上加速度计的连接线束做特殊的排布避免扭曲干涉，或者使用无线数据传输。
[0011]其次对于现有的椭球拟合法和多姿态旋转拟合法，都需要加速度计输出一个三维向量，即需要加速度计拥有XYZ三个轴。而对于倾角传感器的应用场景，使用成本更低的仅拥有XY两个轴的加速度计，便可以完成对重力方向的测量。因此对于只拥有XY两个轴的加速度计，现有的椭球拟合法和多姿态旋转拟合法都无法有效使用。
[0012]即使对于拥有XYZ三轴的加速度计，当XY轴近似平行于水平面时，Z轴近似竖直，此时重力在Z轴上的分量接近饱和。重力在Z轴上的分量和倾角间是正弦关系，当Z轴近似90度竖直时，Z轴此时输出值并不灵敏，容易受到噪声的干扰，此时椭球拟合法及多姿态旋转拟合法将Z轴值代入重力旋转校准法中计算会对结果的准确度造成影响。
技术实现思路
[0013]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是为了提供一种用于倾角传感器的两轴加速度计参数校准方法。为了降低实施成本，本专利技术不采用高精度的旋转平台；为了校准仅拥有XY两轴的加速度计，本专利技术将两维输出扩展为三维姿态向量；为了实现加速度计安装位置不受限制的目的，本专利技术使用具有旋转不变性的姿态向量的内积作为参考标准值；为了提高测量精度，本专利技术采用改进的小角度倾斜旋转方法，同时利用本专利技术中参考标准值具有可求均值的特性，在实现批量化的同时也利用批量化来提高测量精度。
[0014]一种用于倾角传感器的两轴加速度计参数校准方法，步骤如下：步骤一：批量的待校准加速度计固定在同一块旋转板上，加速度计XY轴与旋转板平行；步骤二：旋转平台在水平面附近做多次小于45度倾斜，对所有加速度计的输出进行批量采样记录；步骤三：在所述的批量的待校准加速度计中，设置一个经过校准的加速度计用来生成初始参考标准值；步骤四：对于任意两个加速度计，以姿态向量的内积与参考标准值的差值作为目标函数，使用随机梯度下降法进行参数回归，计算所需的偏移值offset和标度因数scale的校准值；步骤五：所述的批量的待校准加速度计中的多个加速度计带入各自校准后的偏移值offset和标度因数scale，生成的新参考标准值通过累加求和的方式，得到噪声方差更小的参考标准值，继续应用到加速度计的参数回归中；步骤六：迭代上述步骤四和步骤五，输出得到该批次全部加速度计的偏移值offset和标度因数scale的校准值。
[0015]所述的旋转平台包括旋转板、电动推杆、固定底座，电动推杆的下部通过铰链和底座连接，上部通过球头万向节和旋转板连接，通过控制三根电动推杆的长度来实现旋转板的倾斜。
[0016]所述的待校准加速度计是XY两轴MEMS加速度计，拥有两个相互垂直的敏感轴，测量范围从
‑
1g到+1g，待校准参数为偏移值offset和标度因数scale。
[0017]本专利技术的有益效果：对于使用MEMS加速度计的重力倾角传感器，本专利技术在多个方面降低了其参数校准的人力物力成本，并且在经济高效的同时减小了测量误差保证了校准精度。
[0018]1.仅使用简单的旋转平台，在水平面附近小角度倾斜，对加速度计的XY轴参数进行了校准。由于没有使用Z轴的数据，既避免了Z轴在此位置不灵敏噪声大的问题，又使本专利技术能应用于没有Z轴的XY两轴加速度计的校准。
[0019]2.对于旋转平台不需要控制精确的旋转角度，只需要确保稳固不会有振动，不仅降低了设备成本，并且由于只在水平面附近小角度倾斜，旋转平台可以采用多种不同类型的机械结构。连接线束也可以轻松排布，不会面临例如椭球拟合法中大角度翻转旋转所遇到的连接线束扭曲干涉的问题。
[0020]3.加速度计安装到旋转平台的过程中不需要刻意调试对齐，并且无需考虑加速度计外壳和芯片内部测量轴的装配误差，省时省力。由于采用了姿态向量的内积作为目标函数，任意两个加速度计在同一次旋转中它们的姿态向量的内积是相同的，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于倾角传感器的两轴加速度计参数校准方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：批量的待校准加速度计固定在同一块旋转板上，加速度计XY轴与旋转板平行；步骤二：旋转平台在水平面附近做多次小于45度倾斜，对所有加速度计的输出进行批量采样记录；步骤三：在所述的批量的待校准加速度计中，设置一个经过校准的加速度计用来生成初始参考标准值；步骤四：对于任意两个加速度计，以姿态向量的内积与参考标准值的差值作为目标函数，使用随机梯度下降法进行参数回归，计算所需的偏移值offset和标度因数scale的校准值；步骤五：所述的批量的待校准加速度计中的多个加速度计带入各自校准后的偏移值offset和标度因数scale，生成的新参考标准值通过累加求和的方式，得...
【专利技术属性】
技术研发人员：李秉恒，刘英，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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