一种惯性测量单元标定方法技术

本发明专利技术涉及一种惯性测量单元标定方法，包括：规划惯性测量单元标定的运动模型，在所述运动模型中惯性测量单元在水平两轴构成的平面上运动；基于运动模型构建kalman滤波模型；所述kalman滤波模型用于对惯性测量单元的加速度计和陀螺水平两轴常值零偏进行估计；惯性测量单元加电正常工作后，使惯性测量单元按照运动模型运动，并在运动过程中采用所述kalman滤波模型进行滤波估计，根据估计结果标定惯性测量单元。本发明专利技术耗时短且易于操作，能够适应简易的标定环境；标定精度满足实际使用需求，具有较高的工程应用价值。具有较高的工程应用价值。具有较高的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种惯性测量单元标定方法


[0001]本专利技术涉及惯性器件
，尤其涉及一种惯性测量单元标定方法。

技术介绍

[0002]捷联惯性导航系统因其良好的自主性、隐蔽性、抗干扰能力被广泛应用于军事、民用领域。捷联惯性导航系统的精度主要依赖于惯性测量单元的精度。惯性测量单元的零偏是捷联惯性导航系统快速发散的主要误差源。
[0003]传统的标定方法主要为静态多位置标定法。该方法虽然能够较为精确的标定出惯性测量单元的各项误差系数，但需要将惯性测量单元安装在三轴转台上进行多位置旋转测试。该方法转动位置多且单个位置测试时间较长，且需要的测量环境较为复杂。同时，需要精密的转台来保证每个位置的位置精度以及旋转过程中的速度精度，因此不适用于惯性测量单元的快速标定和现场标定。
[0004]并且，随着对惯性测量单元的外场快速标定需求的增加，特别是车载或船载应用条件下，对惯性测量单元水平两轴的测量精度要求高，但对天向轴的测量精度不高，只要求对水平两轴的常值零偏进行快速标定的应用场景下，现有的采用三轴转台或借助冗余惯性器件进行标定的方法，无法满足外场、快速标定的要求。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种惯性测量单元标定方法，解决现有技术中惯性测量单元的外场快速标定的问题。
[0006]本专利技术提供的技术方案是：
[0007]本专利技术公开了一种惯性测量单元标定方法，包括：
[0008]规划惯性测量单元标定的运动模型，在所述运动模型中惯性测量单元在水平两轴构成的平面上运动；
[0009]基于运动模型构建kalman滤波模型；所述kalman滤波模型用于对惯性测量单元的加速度计和陀螺水平两轴常值零偏进行估计；
[0010]惯性测量单元加电正常工作后，使惯性测量单元按照运动模型运动，并在运动过程中采用所述kalman滤波模型进行滤波估计，根据估计结果标定惯性测量单元。
[0011]进一步地，在所述运动模型中，所述惯性测量单元在一个基本水平的面上低速转动；转动时使所述惯性测量单元质心与转动中心的基本保持一致；转动过程中包括n个静止位置，在转动到一个静止位置后停止转动，静止到固定时长后，再低速转动到下一个静止位置，依次到达所有的静止位置；所述转动的方向包括正向转动和逆向转动。
[0012]进一步地，所述静止位置的个数n为4，并且4个所述静止位置之间为对称的位置关系。
[0013]进一步地，在每个静止位置的静止时间为5
‑
10分钟。
[0014]进一步地，所述运动模型为：在初始静止位置A完成初始对准后顺时针转动90
°
至
静止位置B，在静止位置B位置停留5分钟后逆时针转动180
°
至静止位置C，在静止位置C停留5分钟后逆时针转动90
°
至静止位置D，在静止位置D停留10分钟，完成全部标定运动过程。
[0015]进一步地，所述控制惯性测量单元低速转动的方式为手动方式。
[0016]进一步地，所述kalman滤波模型的状态方程为：
[0017][0018]式中，状态向量其中，φ
E
、φ
N
、φ
U
为东向、北向、天向姿态误差角；δv
E
、δv
N
、δv
U
为东向、北向、天向速度误差；ε
x
、ε
y
、ε
z
为陀螺三轴常值零偏；为加速度计三轴常值零偏；F(t)为状态矩阵；系统噪声矩阵声矩阵为陀螺白噪声，为加速度计白噪声。
[0019]进一步地，所述状态矩阵矩阵中，
[0020][0021][0022][0023]其中，为在导航系下的三轴分量；在导航系下的三轴分量；为地球自转角速度在导航系下的分量，为载体相对于地球系运动在导航系下的分量，为在导航系下的北向和天向分量；R
Mh
、R
Nh
为地球长、短半轴；为载体系到导航系的旋转矩阵；f
E
、f
N
、f
U
为导航系下的比力分量，v
E
、v
N
、v
U
为导航系下的载体速度，L为当地纬度。
[0024]进一步地，所述kalman滤波模型的量测方程：
[0025]Z(t)＝H(t)X(t)+v；
[0026]式中，状态向量Z(t)＝[
‑
v
E
,
‑
v
N
,
‑
v
U
]T
，v
E
、v
N
、v
U
为导航系下的载体速度；H(t)为量测矩阵，v为测量噪声。
[0027]进一步地，所述量测矩阵H(t)＝[03×
3 I3×
3 03×6]。
[0028]本专利技术的有益效果：
[0029]惯性测量单元的常值零偏在长时间使用后会发生一定程度的改变，重新安装至转台标定耗时长，且需要的环境相对复杂。本专利技术的惯性测量单元标定方法基于kalman滤波，
无须任何外部高精度的测量辅助设备，手动旋转惯性测量单元即可完成对加速度计和陀螺水平两轴常值零偏的精确标定。该方法耗时短且易于操作，能够适应简易的标定环境。标定精度满足实际使用需求，具有较高的工程应用价值。
附图说明
[0030]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0031]图1为本专利技术实施例中的惯性测量单元标定方法流程图；
[0032]图2为本专利技术实施例中的运动模型示意图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理。
[0034]惯性测量单元是捷联惯性导航系统的核心组件，惯性测量单元的误差可以分为两类，一类是确定性的，可以用一定的函数关系来描述；另一类是随机性的，由随机干扰因素引起，无法用确定函数关系来描述，对于这类误差可以采用数理统计分析方法，寻找统计规律，采用统计函数来描述。
[0035]惯性测量单元在经过出厂的误差标定后经过一段时间的使用(一般1年以上)，陀螺和加速度计的常值零偏相对出厂的标定值会发生一定程度的变化，这种变化会影响到惯性测量单元的对准精度及导航精度，使其无法满足使用者的要求。
[0036]加速度计的线性系统误差模型为
[0037]陀螺的线性系统误差模型为
[0038]传统的标定方法借用重力加速度和地球自转角速度作为观测量，利用最小二乘方法计算出各项误差系数。因此需要多个位置长时间的数据采集，以便于计算。
[0039]其中，加速度计实际输出为理想输出为f
b
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惯性测量单元标定方法，其特征在于，包括：规划惯性测量单元标定的运动模型，在所述运动模型中惯性测量单元在水平两轴构成的平面上运动；基于运动模型构建kalman滤波模型；所述kalman滤波模型用于对惯性测量单元的加速度计和陀螺水平两轴常值零偏进行估计；惯性测量单元加电正常工作后，使惯性测量单元按照运动模型运动，并在运动过程中采用所述kalman滤波模型进行滤波估计，根据估计结果标定惯性测量单元。2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在所述运动模型中，所述惯性测量单元在一个基本水平的面上低速转动；转动时使所述惯性测量单元质心与转动中心的基本保持一致；转动过程中包括n个静止位置，在转动到一个静止位置后停止转动，静止到固定时长后，再低速转动到下一个静止位置，依次到达所有的静止位置；所述转动的方向包括正向转动和逆向转动。3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述静止位置的个数n为4，并且4个所述静止位置之间为对称的位置关系。4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，在每个静止位置的静止时间为5
‑
10分钟。5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述运动模型为：在初始静止位置A完成初始对准后顺时针转动90
°
至静止位置B，在静止位置B位置停留5分钟后逆时针转动180
°
至静止位置C，在静止位置C停留5分钟后逆时针转动90
°
至静止位置D，在静止位置D停留10分钟，完成全部标定运动过程。6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述控制惯性测量单元低速转动的方式为手动方式。7.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述kalman滤波模型的状态方程为：式中，状态向量其中，φ
E
、φ
N
、φ
U
为东向、北...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炤屹，傅亦正，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：