一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法

摘要

本发明提供一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法，包括以下步骤：第一步、安装MEMS惯组和已标好的光纤惯组；第二步、预热光纤惯组和MEMS惯组至稳定；第三步、根据设定路径采集光纤惯组和MEMS惯组的数据，全过程对器件误差进行估算；第四步、输出器件误差的估算结果即为标定结果。应用本发明的标定方法，效果是：本发明采用光纤惯组和MEMS惯组的组合，可以完成MEMS惯组全参数一次性标定，弥补当前标定方法针对MEMS惯组在无转台下标定精度和可实施性方面的不足；本发明利用低成本光纤惯性导航系统代替高精度的转台，且无需借助其他辅助装置，不需要准确的手动转动，操作更灵活，在满足标定要求的前提下能大大降低成本。

权利要求

1.一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、安装MEMS惯组和已标定好的光纤惯组，具体是：将MEMS惯组和已标好的光纤惯组通过工装安装在一起，锁紧，连接光纤惯组、MEMS惯组、电源以及采集计算机之间的线缆并检查正确；所述光纤惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计；陀螺仪和加速度计一一对应设置；三组陀螺仪的安装方向为xb1、yb1和zb1，形成光纤惯组坐标系；MEMS惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计，陀螺仪和加速度计一一对应设置，三组陀螺仪的安装方向为xb2、yb2和zb2，形成MEMS惯组坐标系；光纤惯组和MEMS惯组平行安装，相对安装角不超过3°；

第二步、预热光纤惯组和MEMS惯组至稳定；

第三步、根据设定路径采集光纤惯组和MEMS惯组的数据，全过程对器件误差进行估算；

设定路径为：先将X轴转动-180°，再将Y轴转动-90°，最后将Z轴转动-90°；在每一个转位的静止时间为2-10min，两个转位之间的转动过程耗时5-15s；

采用最小二乘法全过程对器件误差进行估算，具体是：

采用表达式13)和表达式14)分别对加速度计和陀螺仪进行估算：

X1＝(H1TH1)-1H1Tz1      13)；

X2＝(H2TH2)-1H2Tz2        14)；

其中：X1为加速度计的状态向量；z1为加速度计的观测模型；H1为加速度计的观测矩阵，H1T为H1的转置矩阵；X2为陀螺仪的状态向量，z2为陀螺仪的观测模型；H2为陀螺仪的观测矩阵，H2T为H2的转置矩阵；

所述加速度计的状态向量X1为表达式4)：

X1＝[acBx acBy acBz acSFx acSFy acSFz acMAx acMAy acMAz μx μy μz]T    4)；

acBx、acBy和acBz分别为加速度计xb2、yb2和zb2轴的零偏；acSFx、acSFy和acSFz分别为加速度计xb2、yb2和zb2轴的标度；acMAx为加速度计xb2相对zb2轴的失准角，acMAy为加速度计yb2相对xb2轴的失准角，acMAz为加速度计zb2相对yb2轴的失准角；μx、μy和μz分别为光纤惯组和MEMS惯组之间的相对安装角；

所述加速度计的观测模型z1为表达式5)：

为光纤惯组的加速度测量值； 和 为 分别在光纤惯组坐标系的三个方向xb1、yb1和zb1轴的加速度分量；fb2为MEMS惯组的加速度真值；fb2x、fb2y和fb2z为fb2分别在MEMS惯组坐标系的三个方向xb2、yb2和zb2轴的加速度分量； 为MEMS惯组的加速度测量值；

所述加速度计的观测矩阵H1为表达式6)：

所述陀螺仪的状态向量X2为表达式10)：

gyBx、gyBy和gyBz分别为陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的零偏；gySFx、gySFy和gySFz分别为陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的标度；gyMAxy代表陀螺仪xb2相对yb2轴的失准角，gyMAxz代表陀螺仪xb2相对zb2轴的失准角，gyMAyx代表陀螺仪yb2相对xb2轴的失准角，gyMAyz代表陀螺仪yb2相对zb2轴的失准角，gyMAzx代表陀螺仪zb2相对xb2轴的失准角，gyMAzy代表陀螺仪zb2相对yb2轴的失准角；μx、μy和μz分别为光纤惯组和MEMS惯组之间的相对安装角；

所述陀螺仪的观测模型z2为表达式11)：

为光纤惯组中陀螺仪的测量值； 为 分别在xb1、yb1和zb1轴的角速度分量；ωb2为MEMS的陀螺仪真值；ωb2x、ωb2y和ωb2z为ωb2分别在xb2、yb2和zb2轴的角速度分量； 为MEMS惯组的陀螺仪测量值；

所述陀螺仪的观测矩阵H2为表达式12)：

第四步、输出器件误差的估算结果即为标定结果。

说明书

一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法。

背景技术

[0002] 光纤惯性导航系统由于其体积小、成本低、结构简单、自主导航的特点，被广泛应用在军事、民用等导航、制导与控制系统中。微电子机械系统(MEMS)传感器具有芯片体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的特点，MEMS惯性系统以提供姿态、速度和位置的信息在手机、手表、无人机、武器等的导航应用领域有重要地位。

[0003] 惯组标定是进行导航应用前的必要步骤，其标定效果直接影响系统的使用精度。

[0004] 在传统MEMS标定方法中，常利用高精度转台进行标定，这种方法精度高，且能求解系统所有误差，但其需要成本高，不适用于一般用户的使用条件。在无转台情况下的MEMS标定常借助额外辅助装置进行手动操作，对手动转动的精度要求较高，标定的可靠性不高。

[0005] 现有技术中还有其他标定方法，如下：

[0006] 申请号为201810181130.8的发明专利公开一种静态误差标定系统及方法，所述标定系统包括：三轴加速度传感器、辅助装置、水平台面；先将三轴加速度传感器放置在水平台面上，获得六个位置；然后将三轴加速度传感器放置在辅助装置上，辅助装置放置在水平台面上，获得三个位置；获取三轴加速度传感器在9个位置处于不同姿态的多组测量数据，根据9组不同测量数据实现全方面标定三轴加速度传感器的静态误差。该方法只能估计得到加速度计9个误差项，不能标定陀螺仪误差项，没有系统全参数估计能力。此外，该操作方法对手动转动精度要求较高，在标定参数的完备性、标定精度和可靠性等方面均有待提高。

[0007] 申请号为201811362982.3的发明申请公开一种MEMS陀螺组合标定方法，该发明属于陀螺标定补偿技术，标定刻度系数误差和非正交误差，采用顺时针和逆时针旋转用来抵消地球自转和陀螺零偏，估计陀螺的零偏，确定不同两个静态位置MEMS陀螺输出，建立模型，采用最小二乘拟合出计算出陀螺常值零位。该测试方法针对MEMS陀螺，提出器件级标定方法，仅适用于陀螺仪误差项估计，此外，该操作方法对手动转动精度要求较高，在标定参数的完备性、标定精度和可靠性等方面均有待提高。

[0008] 综上所述，提出一种具有高精度、全参数估计能力、无转台且对手动转动精度要求不高的MEMS惯组标定方法具有重要意义。

发明内容

[0009] 本发明目的在于提供一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法，无需借助转台，对手动操作精度要求不高，且能达到全参数标定要求，具体技术方案如下：

[0010] 一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法，包括以下步骤：第一步、安装MEMS惯组和已标定好的光纤惯组；第二步、预热光纤惯组和MEMS惯组至稳定；第三步、根据设定路径采集光纤惯组和MEMS惯组的数据，全过程对器件误差进行估算；第四步、输出器件误差的估算结果即为标定结果。

[0011] 以上技术方案中优选的，所述第一步具体是：将光纤惯组和MEMS惯组通过工装安装在一起，锁紧，连接光纤惯组、MEMS惯组、电源以及采集计算机之间的线缆并检查正确。

[0012] 以上技术方案中优选的，所述光纤惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计；陀螺仪和加速度计一一对应设置；三组陀螺仪的安装方向为xb1、yb1和zb1，形成光纤惯组坐标系；MEMS惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计，陀螺仪和加速度计一一对应设置，三组陀螺仪的安装方向为xb2、yb2和zb2，形成MEMS惯组坐标系；光纤惯组和MEMS惯组平行安装，相对安装角不超过3°。

[0013] 以上技术方案中优选的，所述第三步中设定路径为：先将X轴转动-180°，再将Y轴转动-90°，最后将Z轴转动-90°；在每一个转位静止时间为2-10min，两个转位之间的转动过程耗时5-15s。

[0014] 以上技术方案中优选的，第三步中采用最小二乘法全过程对器件误差进行估算，具体是：采用表达式13)和表达式14)分别对加速度计和陀螺仪进行估算：

[0015] X1＝(H1TH1)-1H1Tz1   13)；

[0016] X2＝(H2TH2)-1H2Tz2   14)；

[0017] 其中：X1为加速度计的状态向量；z1为加速度计的观测模型；H1为加速度计的观测矩阵，H1T为H1的转置矩阵；X2为陀螺仪的状态向量，z2为陀螺仪的观测模型；H2为陀螺仪的观测矩阵，H2T为H2的转置矩阵。

[0018] 以上技术方案中优选的，所述加速度计的状态向量X1为表达式4)：

[0019] X1＝[acBx acBy acBz acSFx acSFy acSFz acMAx acMAy acMAz μx μy μz]T   4)；

[0020] acBx、acBy和acBz分别为加速度计xb2、yb2和zb2轴的零偏；acSFx、acSFy和acSFz分别为加速度计xb2、yb2和zb2轴的标度；acMAx为加速度计xb2相对zb2轴的失准角，acMAy为加速度计yb2相对xb2轴的失准角，acMAz为加速度计zb2相对yb2轴的失准角；μx、μy和μz分别为光纤惯组和MEMS惯组之间的相对安装角；

[0021] 所述加速度计的观测模型z1为表达式5)：

[0022]

[0023] 为光纤惯组的加速度测量值； 和 为 分别在光纤惯组坐标系的三个方向xb1、yb1和zb1轴的加速度分量；fb2为MEMS惯组的加速度真值；fb2x、fb2y和fb2z为fb2分别在MEMS惯组坐标系的三个方向xb2、yb2和zb2轴的加速度分量； 为MEMS惯组的加速度测量值；

[0024] 所述加速度计的观测矩阵H1为表达式6)：

[0025]

[0026] 以上技术方案中优选的，所述陀螺仪的状态向量X2为表达式10)：

[0027]

[0028] gyBx、gyBy和gyBz分别为陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的零偏；gySFx、gySFy和gySFz分别为陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的标度；gyMAxy代表陀螺仪xb2相对yb2轴的失准角，gyMAxz代表陀螺仪xb2相对zb2轴的失准角，gyMAyx代表陀螺仪yb2相对xb2轴的失准角，gyMAyz代表陀螺仪yb2相对zb2轴的失准角，gyMAzx代表陀螺仪zb2相对xb2轴的失准角，gyMAzy代表陀螺仪zb2相对yb2轴的失准角；

[0029] 所述陀螺仪的观测模型z2为表达式11)：

[0030]

[0031] 为光纤惯组中陀螺仪的测量值； 为 分别在xb1、yb1和zb1轴的角速度分量；ωb2为MEMS惯组的陀螺仪真值；ωb2x、ωb2y和ωb2z为ωb2分别在xb2、yb2和zb2轴的角速度分量； 为MEMS惯组的陀螺仪测量值；

[0032] 所述陀螺仪的观测矩阵H2为表达式12)：

[0033]

[0034] 应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

[0035] 1、本发明采用光纤惯组和MEMS惯组的组合，可以完成MEMS惯组全参数一次性标定，弥补当前标定方法针对MEMS惯组在无转台下标定精度和可实施性方面的不足。

[0036] 2、本发明MEMS惯组标定无需使用转台，利用低成本光纤惯性导航系统代替高精度的转台，且无需借助其他辅助装置(如经纬仪等)，对手动转动精度要求不高，操作更灵活，且在满足标定要求的前提下能大大降低标定成本。

[0037] 3、在光纤惯组和MEMS惯组结合的基础上，采用最佳标定路径(先将X轴转动-180°，再将Y轴转动-90°，最后将Z轴转动-90°)，采用最短的路径既能实现MEMS惯组全参数一次性标定，大大节省标定时间，实用性强。

[0038] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0039] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0040] 图1是实施例中光纤惯组和MEMS惯组的安装关系示意图。

具体实施方式

[0041] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0042] 实施例：

[0043] 一种基于光纤惯性辅助的MEMS惯组标定方法，包括以下步骤：第一步、安装光纤惯组和MEMS惯组，具体是：将MEMS惯组和已标定好的光纤惯组通过工装安装在一起，锁紧，连接光纤惯组、MEMS惯组、电源以及采集计算机之间的线缆并检查正确；第二步、预热光纤惯组和MEMS惯组至稳定；第三步、打开采集计算机上的数据采集软件，根据设定路径采集光纤惯组和MEMS惯组的数据，全过程对器件误差进行估算；第四步、输出器件误差的估算结果即为标定结果；惯组断电，系统断电。

[0044] 详情如下：

[0045] 参见图1，所述光纤惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计，陀螺仪和加速度计一一对应设置，三组陀螺仪的安装方向为xb1、yb1和zb1，形成光纤惯组坐标系；MEMS惯组包括三组陀螺仪和三组加速度计，陀螺仪和加速度计一一对应设置，三组陀螺仪的安装方向为xb2、yb2和zb2，形成MEMS惯组坐标系。光纤惯组和MEMS惯组平行安装，相对安装角不超过3°，μx、μy和μz分别为光纤惯组和MEMS惯组之间的相对安装角。

[0046] 针对加速度计：

[0047] MEMS惯组的加速度计的零偏为表达式1)：

[0048] acB＝[acBx,acBy,acBz]T   1)；

[0049] 其中：acBx、acBy和acBz分别代表加速度计xb2、yb2和zb2轴的零偏。

[0050] MEMS惯组的加速度计的标度为表达式2)：

[0051] acSF＝diag[acSFx acSFy acSFz]   2)；

[0052] 其中：acSFx、acSFy和acSFz分别代表加速度计xb2、yb2和zb2轴的标度；diag表示对角矩阵。

[0053] MEMS惯组的加速度计的失准角为表达式3)：

[0054]

[0055] 其中：acMAx代表加速度计xb2相对zb2轴的失准角，acMAy代表加速度计yb2相对xb2轴的失准角，acMAz代表加速度计zb2相对yb2轴的失准角。

[0056] 加速度计的状态向量X1为表达式4)：

[0057] X1＝[acBx acBy acBz acSFx acSFy acSFz acMAx acMAy acMAz μx μy μz]T   4)；

[0058] 取光纤惯组的加速度测量值为 MEMS惯组的加速度测量值 MEMS惯组的加速度真值fb2，所述加速度计的观测模型z1为表达式5)：

[0059]

[0060] 其中： 和 为 分别在光纤惯组坐标系的三个方向xb1、yb1和zb1轴的加速度分量；fb2x、fb2y和fb2z为fb2分别在MEMS惯组坐标系的三个方向xb2、yb2和zb2轴的加速度分量；

[0061] 所述加速度计的观测矩阵H1为表达式6)：

[0062]

[0063] 针对陀螺仪：

[0064] MEMS惯组的陀螺仪的零偏为表达式7)：

[0065] gyB＝[gyBx,gyBy,gyBz]T   7)；

[0066] 其中：gyBx～gyBz分别代表陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的零偏。

[0067] MEMS惯组的陀螺仪的标度为表达式8)：

[0068] gySF＝diag[gySFx gySFy gySFz]   8)；

[0069] 其中：gySFx～gySFz分别代表陀螺仪xb2、yb2和zb2轴的标度。

[0070] MEMS惯组的陀螺仪的失准角为表达式9)：

[0071]

[0072] 其中：gyMAxy代表陀螺仪xb2相对yb2轴的失准角，gyMAxz代表陀螺仪xb2相对zb2轴的失准角，gyMAyx代表陀螺仪yb2相对xb2轴的失准角，gyMAyz代表陀螺仪yb2相对zb2轴的失准角，gyMAzx代表陀螺仪zb2相对xb2轴的失准角，gyMAzy代表陀螺仪zb2相对yb2轴的失准角。

[0073] 所述陀螺仪的状态向量X2为表达式10)：

[0074]

[0075] 取光纤惯组的陀螺仪的测量值为 MEMS惯组的陀螺仪测量值 MEMS惯组的陀螺仪真值为ωb2，所述陀螺仪的观测模型z2为表达式11)：

[0076]

[0077] 为 分别在xb1、yb1和zb1轴的角速度分量；ωb2x～ωb2z为ωb2分别在xb1、yb1和zb1轴的角速度分量；

[0078] 所述陀螺仪的观测矩阵H2为表达式12)：

[0079]

[0080] 所述第三步中设定路径为：先将X轴转动-180°，再将Y轴转动-90°，最后将Z轴转动-90°，详见表1：

[0081] 表1标定路径

[0082]

[0083] 标定过程中：在每一个转位静止时间为2-10min(优选5min)，两个转位之间的转动过程耗时5-15s(优选10s)。

[0084] 标定过程中采用最小二乘法全过程对器件误差进行估算，具体是：

[0085] 采用表达式13)和表达式14)分别对加速度计和陀螺仪进行估算：

[0086] X1＝(H1TH1)-1H1Tz1   13)；

[0087] X2＝(H2TH2)-1H2Tz2   14)；

[0088] 其中：H1T为H1的转置矩阵；H2T为H2的转置矩阵。

[0089] 应用本实施例的技术方案，具体仿真结果如表2和表3所示：

[0090] 表2加速度计标定参数理论值与估计值对比

[0091]

[0092] 表3陀螺仪标定参数理论值与估计值对比

[0093]

[0094] 从表2和表3可知，本发明采用光纤惯组和MEMS惯组的组合，利用低成本光纤惯性导航系统代替高精度的转台，且无需借助其他辅助装置(如经纬仪等)，不需要准确的手动转动，操作更灵活，可以完成MEMS惯组全参数一次性标定，且参数标定精度满足高性能MEMS惯组使用要求。

[0095] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。