基于Frank-Wolfe方法的加速度计标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Frank

【技术实现步骤摘要】
基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法


[0001]本专利技术涉及工程监测与环境保护
，具体涉及基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法。

技术介绍

[0002]近年来随着微机电系统(Micro
‑
Alectro
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Mechanical System,MEMS)技术的迅速发展，低成本、低功耗型惯性传感器的多重优点使其得到了广泛应用。MEMS惯性传感器中的加速度计因其具有体积小、成本低、可靠性高、功耗低等优点，在军事、无人机、室内定位和医疗保健等多领域都发挥着重要的作用。但由于低成本MEMS加速度计易受生产工艺及安装的影响，且长期稳定性较差，存在明显的漂移现象，导致实际测量值的测量误差较大，无法满足实际精度要求，因此亟需提高加速度计的精度。
[0003]目前大多是通过提升加速度计的标定精度来提升加速度计的精度，标定精度是利用合理的测量方法对加速度计的误差系数进行求解和补偿来提高加速度计的实际使用精度。加速度计的标定方法主要分为实验室标定法和现场标定法。实验室标定是在严格的实验室环境中，通过高精密的测量仪器标定加速度计，主要有高精度转台多位置法、精密离心机上离心测试以及线振动实验等方法，标定结果较为准确，但成本较高，并且标定的过程十分复杂。现场标定法无需大型辅助设备，通过获取并处理现场数据即可完成标定，荷兰学者就曾提出模观测法标定，此方法是利用用静止时加速度计输出模值等于当地的重力加速度原理构造非线性函数，将加速度计标定问题转化为非线性优化问题，这也是多位置旋转标定法的原型，常见的有六位置法、八位置法、十二位置法以及二十四位置标定法等。在模观测法原理基础上，有众多学者提出采用优化算法求解待标定参数的非线性函数，常用方法有椭球拟合法、高斯牛顿法、列文伯格
‑
马夸尔特(Levenberg
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Marquardt,L
‑
M)算法、粒子群算法、神经网络算法等。
[0004]但由于海森矩阵及矩阵求逆计算复杂且容易出现矩阵奇异、易陷入局部极值、模型依赖初始值等问题，因此，迫切需要一种稳定、精确的加速度计标定方法，提高标定精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题就在于：本专利技术提供一种基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，稳定、精确，提高标定精度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一种基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1，分析加速度计的误差形式，确定标定需要求解的加速度计参数，构建基于加速度计标定误差的数学模型；
[0009]步骤S2，采用多位置旋转标定法对加速度计进行标定，通过静止时加速度与当地的重力加速度相等的原理来校准加速度计的误差，构造加速度计基于9个未知参数的误差模型，建立当MEMS加速度计输出N个数据样本时的辨识模型；
[0010]步骤S3，采用静态条件下的六位置旋转标定法对加速度计进行标定，在六个不同位置下分别采集加速度计原始输出值的数据样本，带入误差模型；根据Frank
‑
Wolfe方法进行求解，得到一组使得加速度计标定误差模型的辨识误差最小的最优估计值；通过最优估计值得到加速度计补偿后的输出值，完成加速度计的标定。
[0011]作为上述技术方案的进一步改进为：
[0012]优选地，步骤S1中，根据非正交误差、比例因子误差和零偏误差的数学模型构建加速度计标定误差的数学模型。
[0013]优选地，所述步骤S2中，所述误差模型为E9Θ)：
[0014]E(Θ)＝‖a‖
‑
g＝‖S
·
K
·
(a
t
+B)‖
‑
g
[0015]其中，g为当地的重力加速度，a为加速度计补偿后的输出值，K为非正交误差、S为比例因子误差和，B为零偏误差。
[0016]优选地，步骤S2中，所述辨识模型为Θ
*
：
[0017][0018]其中，满足标定后加速度计数据的误差平方和最小的θ
*
，则是其数值解，即使误差模型E(Θ)尽可能的趋近0，得到一组最优估计值。
[0019]优选地，所述S3中，所述根据Frank
‑
Wolfe方法进行求解，具体包括以下步骤：
[0020](1)根据辨识模型设置目标函数；
[0021](2)对误差模型E(Θ)中零偏误差B、比例因子误差S、非正交误差K的未知参数求解其雅可比矩阵J；
[0022](3)得到N个加速度计数据样本的误差模型E(Θ)关于零偏误差B、比例因子误差S、非非正交误差K未知参数的雅可比矩阵J；
[0023](4)计算目标函数关于零偏误差B、比例因子误差S、非正交误差K未知参数的梯度；
[0024](5)根据Frank
‑
Wolfe方法的算法流程对目标函数进行迭代计算，得到最优估计值。
[0025]本专利技术提供的基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，与现有技术相比，有以下优点：
[0026]本专利技术的基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，在将非正交误差K、比例因子误差S和零偏误差B作为主要误差来源，对加速度计进行补偿后得到加速度计输出值a的基础上，采用六位置旋转标定法采集加速度计原始输出值a
t
，将a
t
代入误差模型E(Θ)，并通过Frank
‑
Wolfe方法对误差模型E(Θ)进一步进行优化，得到未知参数Θ的最优估计值，从而提高加速度计标定精度。
附图说明
[0027]图1是本专利技术非正交误差角示意图。
[0028]图2是本专利技术基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定流程图。
具体实施方式
[0029]以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0030]本专利技术基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法的一种实施方式，包括以下步骤：
[0031]步骤S1，误差分析及模型建立
[0032]加速度计在标定过程中会受到多种因素的干扰，其主要误差来源为非正交误差、比例因子误差和零偏误差。
[0033]S1
‑
1，非正交误差是指加速度计的敏感轴与载体坐标系之间的安装误差。理想情况下三轴加速度计三个敏感轴是互相正交的，但由于生产安装等因素使三个敏感轴处于非正交位置。非正交误差角示意图如图1所示，图中x
s
、y
s
、z
s本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，分析加速度计的误差形式，确定标定需要求解的加速度计参数，构建基于加速度计标定误差的标定误差模型；步骤S2，采用多位置旋转标定法对加速度计进行标定，通过静止时加速度与当地的重力加速度相等的原理来校准加速度计的误差，构造加速度计的基于未知参数的误差模型，建立当MEMS加速度计输出N个数据样本时的辨识模型；步骤S3，采用静态条件下的六位置旋转标定法对加速度计进行标定，在六个不同位置下分别采集加速度计原始输出值的数据样本，带入误差模型；根据Frank
‑
Wolfe方法进行求解，得到一组使得加速度计标定误差模型的辨识误差最小的最优估计值；通过最优估计值得到加速度计补偿后的输出值，完成加速度计的标定。2.根据权利要求1所述的基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据非正交误差、比例因子误差和零偏误差的数学模型构建加速度计标定误差的数学模型。3.根据权利要求2所述的基于Frank
‑
Wolfe方法的加速度计标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述误差模型为E(Θ)：E(Θ)＝||a||
‑
g＝||S
·
K...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晓雯，李品醇，陈洋卓，徐玲林，张带凤，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：