一种惯性器件的温度误差补偿方法技术

一种惯性器件的温度误差补偿新方法，是指对惯性器件输出电压及供电电压同时进行ＡＤ采样，利用两者采样值的比值进行陀螺的角速率信息（或加速度计的加速度信息）解算；再建立角速率信息（或加速度信息）的温度误差模型并进行补偿。该方法可消除惯性器件供电电压及ＡＤ转换电路参考电压的温度漂移对器件输出精度的影响，可大大简化惯性器件的温度误差模型，提高器件的温度误差补偿精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，可应用于陀螺仪、加速度计等惯 性器件的温度误差建模与补偿，属于惯性器件测试、标定、误差补偿领域，也是惯性导航、组 合导航领域的主要关键技术。
技术介绍
惯性导航系统具有全自主、高隐蔽性、高带宽、连续输出等特点，在国防上具有战 略意义，是航空、航天、航海等领域中最重要的设备之一。惯性器件(陀螺和加速度计)的性能是影响惯性导航系统精度的主要因素，惯性 导航系统误差的80%由器件误差引起，因此，提高惯性器件的精度是惯性技术发展过程中 最为主要的研究内容。提高惯性器件的精度一般有两条途径(1)改变惯性器件的工作原 理或改进器件的加工工艺；(2)对惯性器件进行精确误差建模，通过误差补偿的方法来提 高器件性能。一般情况下，改进惯性器件加工工艺往往需要付出较大的经济代价，器件的成 本将大大提高；因此，精确的误差建模与补偿对于提高惯性导航系统的精度具有十分重要 的意义。温度误差是惯性器件的主要误差之一。一般情况下，由外界温度变化引起的陀螺 漂移和加计零偏将远远大于器件的随机误差，对于光纤陀螺和MEMS陀螺，将高出几十倍甚 至上百倍。因此，为确保器件的输出精度，必须对其进行精确的温度建模与补偿。惯性器件的温度误差除了跟器件自身的温度特性相关外，还跟供电电压的温度漂 移直接相关。当供电电压变化时，惯性器件的输出信号会随之变化，因此，供电电压的温度 漂移将等效成陀螺漂移和加计零偏。此外，陀螺和加速度计输出的模拟信号需AD转换后才 能使用，AD转换电路参考电压Vref的温度漂移也将等效成陀螺漂移和加计零偏。总结以上 分析可知，陀螺及加速度计的温度误差中往往包含三个因素惯性器件自身的温度误差、惯 性器件供电电压的温度漂移引起的输出误差、AD采样电路参考电压的温度漂移引入的采样 误差。因此，惯性器件输出信号的温度误差模型比较复杂，无法用简单的方法进行建模和补 偿，目前现有的补偿方法均没有考虑AD采样电路的因素，因此，建立的模型不能对器件的 输出误差进行有效的补偿。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是基于惯性器件温度误差模型较为复杂这一特点，克服 传统的温度误差建模与补偿方法的不足，提出了一种温度误差建模与补偿新方法，该方法 通过同时采样惯性器件输出电压及供电电压来消除电路漂移对器件输出精度的影响，可大 大简化惯性器件的温度误差模型，提高温度误差的补偿精度。本专利技术的技术解决方案是一种惯性器件的温度误差补偿新方法，其实现步骤及 实现原理如下第一步，对惯性器件的输出电压及供电电压V。。同时进行AD采样。 其中，陀螺的输出电压及加速度计的输出电压厂<^经AD采样后的数字量Dg及 Da可表示为 ω表示角速度，a表示加速度，ki表示陀螺刻度系数，k3表示加速度计的刻度系数， 对惯性器件供电电压V。。进行AD采样，得到的采样值为 Vref为AD采样电路的参考电压，k2为AD采样电路的比例系数；第二步，将陀螺输出信号的采样值Dg、加速度计输出信号的采样值Da与供电电压 的采样值相比，求得陀螺的角速度ω及加速度计的加速度a的计算公式为 当外界温度变化时，惯性器件的供电电压由V。。变为V。。'，AD采样电路的参考电 压由变为U，此时惯性器件的输出电压及供电电压的AD采样值为 将(6)式和(7)式相比得 对比式(5)及式⑶得，DgIDvcc=D:[DK:， DjDv。利用 与D、的比值计算得到的ω值不随V。。及Vref变化；利用Da与^^的比值计算得到的a值不随V。。及Vref变化。第三步，根据第二步计算得到的角速度ω及加速度a中包含惯性器件自身温度误 差Δ ω (T)、Aa(T)，建立温度误差Δ ω (T)及Aa(T)与温度T之间的模型如式(9)所示， 并用该模型对陀螺及加速度计的输出信号进行温度误差补偿 上式(9)中，T为温度，Δ T为温度梯度，a，b，c，d分别为陀螺温度误差模型参数； a'，b'，c'，d'分别为加速度计温度误差模型参数；第四步，利用第三步所建的温度误差模型，对完成电路漂移补偿后的惯性器件的 输出信号进行温度误差补偿。本专利技术与现有技术相比的优点在于(1)传统的误差补偿方法需要分别建立惯性器件、供电电源模块、参考电压芯片 的温度漂移模型，通过多级补偿的方式补偿惯性器件的温度相关误差；一般情况下，惯性器 件、供电电源模块、参考电压芯片所处的温度场不同，单一温度传感器的输出很难准确地反 映三个不同地点的温度变化，因此，所建立的温度模型往往存在一定的偏差，误差补偿效果 很难得到保证。(2)相比传统的温度误差补偿方法，本专利技术对器件输出信号及供电信号同时进行 AD采样，将两者采样值相比来消除供电模块及参考电压芯片温漂对器件输出精度的影响； 温度补偿只需要建立惯性器件的单一误差模型即可，简化了误差补偿模型，有效地提高了 温度误差补偿精度。附图说明图1为本专利技术实施例中陀螺、供电电压、参考电压的温度漂移曲线；图2为本专利技术实施例中一次上电升降温过程中陀螺的角速度输出曲线；图3为本专利技术所述的温度补偿新方法的实现步骤；图4为本专利技术实施例中补偿电路温度漂移后陀螺的输出曲线；图5为本专利技术实施例中完成温度补偿后陀螺的输出曲线；图6为本专利技术实施例中补偿电路温度漂移后加速度计的输出曲线；图7为本专利技术实施例中完成温度补偿后加速度计的输出曲线。具体实施例方式下面结合实施例进一步阐述本专利技术的实施过程和效果。实施例1下面以AD公司的ADIS16130型MEMS陀螺的温度误差补偿为例来阐述本专利技术的具 体实施过程。ADIS16130型MEMS陀螺在常温下的输出精度大约为30° /h，其输出角速度将随外界温度产生较大的漂移，外界温度每变化rc，产生的漂移大约为125° /h ；该陀螺需要选 用电源模块供电，电源模块每产生Imv的温度漂移，陀螺输出信号变化180° /h。此外，该 陀螺的模拟信号需AD转换后才能进入计算机使用，AD转换电路参考电压芯片的输出电压 Vref每变化lmv，将产生360° /h的陀螺漂移。因此，为了确保该陀螺的使用精度，必须对其 进行精确的温度补偿，使得经温度补偿后陀螺的输出精度控制在30° /h左右。图1为外界温度从0°C变化至50°C时，陀螺输出信号、陀螺供电电压、AD转换电路 参考电压的温度漂移曲线；由曲线可知，当外界温度从0°c变化至50°C时，供电电压和参考 电压的温度漂移大约为lmv，陀螺输出角速度的温度漂移大约为0.3° /s，即1800° /h。图2为ADIS16130型MEMS陀螺一次上电升降温过程中的角速度输出曲线(其中 陀螺输出角速度经AD采样得到)。由图2可知，器件的温度模型中存在较大的非线性误差， 当外界温度由升温变为降温时，陀螺输出角速度表现出明显的滞环误差，因此，常规的多项 式拟合的方法无法对器件进行温度建模和补偿。如图3所示，本专利技术的陀螺温度误差补偿方法具体实现过程如下第一步，对陀螺的输出电压及供电电压V。。同时进行AD采样。其中，陀螺的理想输出模型可表示为V^t =^Vcc+ ψ 0ω(1)式(1)中，ω表示角速度，Ic1表示陀螺刻度系数。AD采样电路原理可表示为D = ^Xk2(2)Vref上式(2)中，D表示AD采样电路输出的数字量，V,采样电路的参考电压，k2 为AD采样电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性器件的温度误差补偿方法，特征在于其实现步骤如下：第一步，对惯性器件的输出电压及供电电压Ｖ↓［ｃｃ］同时进行ＡＤ采样。其中，陀螺的输出电压Ｖ↓［ｏｕｔ］↑［ｇ］及加速度计的输出电压Ｖ↓［ｏｕｔ］↑［ａ］经ＡＤ采样后的数字量Ｄ↓［ｇ］及Ｄ↓［ａ］可表示为：＊＊＊（３）ω表示角速度，ａ表示加速度，ｋ↓［１］表示陀螺刻度系数，ｋ↓［３］表示加速度计的刻度系数；对惯性器件供电电压Ｖ↓［ｃｃ］进行ＡＤ采样，得到的采样值Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］为：Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］＝Ｖ↓［ｃｃ］／Ｖ↓［ｒｅｆ］×ｋ↓［２］（４）Ｖ↓［ｒｅｆ］为ＡＤ采样电路的参考电压，ｋ↓［２］为ＡＤ采样电路的比例系数。第二步，将陀螺输出信号的采样值Ｄ↓［ｇ］、加速度计输出信号的采样值Ｄ↓［ａ］与供电电压的采样值Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］相比，求得陀螺的角速度ω及加速度计的加速度ａ的计算公式为：＊＊＊（５）当外界温度变化时，惯性器件的供电电压由Ｖ↓［ｃｃ］变为Ｖ↓［ｃｃ］′，ＡＤ采样电路的参考电压由Ｖ↓［ｒｅｆ］变为Ｖ↓［ｒｅｆ］′，此时惯性器件的输出电压及供电电压的ＡＤ采样值为：＊＊＊（６）Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］′＝Ｖ↓［ｃｃ］′／Ｖ↓［ｒｅｆ］′ｋ↓［２］（７）将（６）式和（７）式相比得：＊＊＊（８）对比式（５）及式（８）得，Ｄ↓［ｇ］／Ｄ↓［ｖ↓［ｃｃ］］＝Ｄ↓［ｇ］′／Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］′，Ｄ↓［ａ］／Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］＝Ｄ↓［ａ］′／Ｄ↓［ｖ↓［ｃｃ］］′。利用Ｄ↓［ｇ］与Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］的比值计算得到的ω值不随Ｖ↓［ｃｃ］及Ｖ↓［ｒｅｆ］变化；利用Ｄ↓［ａ］与Ｄ↓［Ｖ↓［ｃｃ］］的比值计算得到的ａ值不随Ｖ↓［ｃｃ］及Ｖ↓［ｒｅｆ］变化。第三步，根据第二步计算得到的角速度ω及加速度ａ中包含惯性器件自身的温度误差Δω（Ｔ）、Δａ（Ｔ），建立温度误差Δω（Ｔ）及Δａ（Ｔ）与温度Ｔ之间的模型如式（９）所示，并用该模型对陀螺及加速度计的输出信号进行温度误差补偿：＊＊＊（９）上式（９）中，Ｔ为温度，ΔＴ为温度梯度，ａ，ｂ，ｃ，ｄ分别为陀螺温度误差模型参数；ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′分别为加速度计温度误差模型参数；第四步，利用第三步所建的温度误差模型，对完成电路漂移补偿后的惯性器件的输出信号进行温度误差补偿。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐烨烽，张仲毅，李魁，杨国梁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]