本發(fā)明涉及慣性導航慣性傳感器誤差標定技術領域，尤其是涉及一種慣性傳感器的測量標定方法。

背景技術：

在微型無人機飛行系統(tǒng)中，慣性傳感器是飛行品質(zhì)非常重要的因素和保證，但一般無人機的慣性傳感器系統(tǒng)標定都是在靜態(tài)下完成的，且只對原始數(shù)據(jù)求平均值，靜態(tài)的偏差量作為慣性傳感器的零偏漂移量，但因所處位置不同，地球重力加速度也不同，并隨著時間累積，測量值也會有很大偏移量，如果應用在無人機系統(tǒng)、導彈系統(tǒng)等配備慣性傳感器的裝置上，測量上會差生較大的誤差，同時造成不可挽回的損失。

相關試驗表明，隨著時間推移和環(huán)境變化，微慣性測量組合中慣性器件的安裝誤差不會變化，但是慣性器件自身的性能參數(shù)會發(fā)生變化。其中慣性器件的零偏漂移表現(xiàn)尤為明顯，每次上電工作時都會有所不同，并且隨著時間的推移變化會不斷加劇。眾所周知，加速度計和陀螺儀的零偏對導航和定位的誤差影響分別按時間的二次和三次方增長。由此可見，微慣性測量組合試驗室準確標定參數(shù)如果應用于后期的實際測試當中，會產(chǎn)生較大誤差，降低微慣性測量組合的測試精度。因此微慣性測量組合，特別是應用于火箭彈、炮彈等常規(guī)武器裝備的微慣性測量組合，需要在短期內(nèi)具有較高的精度，急需一種能夠在微慣性測量組合使用前現(xiàn)場快速準確標定的方法。

目前，傳統(tǒng)的微慣性測量組合標定方法往往需要精密試驗設備提供方向基準和位置基準。離開這些精密實驗設備就直接導致微慣性測量組合在實際使用前很難有條件進行現(xiàn)場準確標定，只能進行現(xiàn)場簡易標定。而簡易標定往往由于缺乏方向和位置基準，以加速度計零偏標定為例，僅僅是尋找兩個完全對稱位置對于系統(tǒng)的使用者來說就難以做到?？偠灾?，現(xiàn)有的微慣性測量組合標定方法依賴實驗室設備，操作復雜，費時，精度低，難以滿足微慣性導航系統(tǒng)實際應用的需求。

目前，缺乏一種精度高的慣性傳感器的測量標定方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種精度高的慣性傳感器的測量標定方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術方案：本發(fā)明一種慣性傳感器的測量標定方法，包括如下步驟：

(1)建立東北天坐標系，采用數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標準的重力加速度，同時對基本的標定模型進行重力的偏移補償；

(2)依靠控制器設計慣性傳感器的運動軌跡，使其按照球體的運動方程進行移動，同時采集球體上x軸，y軸，z軸的電壓數(shù)據(jù)；并對電壓數(shù)據(jù)進行初步處理和分析，剔除一些因設備因其的無效數(shù)據(jù)；

(3)建立橢圓曲面的方程，檢測到的電壓數(shù)據(jù)進行正交多項式的參數(shù)擬合，將最佳的橢球方程擬合標定模型參數(shù)，然后對慣性傳感器模型的數(shù)值進行標定和補償，使得慣性傳感器測量坐標的點與擬合后橢球曲線上相應點之間的距離平方和最??；

(4)將擬合的橢球曲面方程進行正交變換法二次標準型分解，先得到特征方程和它對應的特征向量；然后計算所提到的慣性傳感器所有的未確定參數(shù)，并將參數(shù)帶入方程去驗證，完成慣性傳感器標定的輸出參數(shù)；

(5)根據(jù)慣性傳感器的輸出標定，對該慣性傳感器標定的輸出參數(shù)進行試驗驗證。

進一步地，在步驟(1)中，通過fpga控制器設計的ad9845數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，

建立坐標系，對當前點重力加速度的測量：依據(jù)東北天坐標系，坐標系原點為0，坐標系x軸為慣性傳感器的正前方，坐標系y軸為慣性傳感器前進方向垂直向右，坐標系z軸為xoy平面的垂線方向向上，同時測量當前點的重力加速度，通過設計fpga控制器設計的ad9845采用數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其測量10次，求解平均數(shù)，如公式(1)所示，

在公式(1)中，g0為其重力加速度進行10測量電壓的平均值，gi為每次測量電壓量，同時當某個測量電壓與平均值相差大于預值時，剔除當前測量電壓；如公式(2)和公式(3)所示，

g＝gδ+g0(3)，

在公式(2)(3)中，gδ為其重力加速度進行10測量電壓的方差值，gi為每次測量電壓量，g為得到標準的重力加速度值。

進一步地，在步驟(1)和步驟(2)中，所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器或inemo-m1慣性傳感器；所述控制器為fpga控制器、dsp控制器或arm控制器。

進一步地，在步驟(2)中，所述ad9845數(shù)模轉換裝置隨機采集在該測量慣性傳感器的輸出的電壓值，并通過fpga控制器設計電機驅(qū)動裝置，使其運動軌跡盡量覆蓋擬合橢球在三維空間范圍分布，得到一系列不同狀態(tài)下慣性傳感器的輸出電壓值，如公式(4)所示，

ui＝(ux,i,uy,i,uz,i)^ti＝(1,2,3…n)(4)。

更進一步地，在步驟(3)中，建立橢圓曲面數(shù)學模型表達式，利用正交多項式擬合方法進行參數(shù)擬合：建立橢球曲面的方程式，如公式(5)所示，

f(ξ,t)＝ξ^tt＝ax²+by²+cz²+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+l＝0(5)，

在公式(5)中，x,y,z為步驟(1)設計坐標系，ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t為橢球曲面方程系數(shù)，也稱為擬合參數(shù)向量，t＝[x²,y²,z²,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]^t為測量數(shù)據(jù)的坐標系向量組合，f(ξ,t)為坐標系(x,y,z)到該橢球f(ξ,t)＝0對應的距離值，并對參數(shù)進行擬合正交多項式的參數(shù)擬合，求解出ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t所有參數(shù)。

進一步地，在步驟(4)中，對所述橢球曲面方程，如公式(6)所示，

(λ-λ0)^tq(λ-λ0)＝1(6)，

在公式(6)中，表示與橢球半軸參數(shù)及慣性傳感器單元旋轉某

一角度時相關的橢球曲面矩陣；為橢球曲面的坐標原點；

對公示(7)進行變形，推導如下：

公式(7)中，設定利用公式(7)與公式(8)進行參數(shù)匹配，得到方程式

在公式(9)中，求解出橢圓曲面特征向量q，橢圓坐標值λ0，利用這兩個，求解出橢圓曲面特征向量的逆矩陣q^-1。

進一步地，在步驟(5)中，由步驟(4)獲得橢球曲面方程標準表達式，完成慣性傳感器的輸出標定。

有益效果：本發(fā)明操作方便，簡易可行，精度高，不依賴精密儀器提供高的方向基準和水平基準等特點。

的該方法進行試驗驗證，所提出的慣性標定方法滿足了慣性測量系統(tǒng)在實際應用中高精度要求。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過建立標定模型，尋找一組最佳的擬合橢球參數(shù)，使得慣性器件測量電壓值為坐標的點與擬合橢球上相應點之間的代數(shù)距離平方和最小，即進行基于橢球約束的最小二乘法擬合，進而利用擬合得到的橢球曲面參數(shù)求出慣性器件的標度因數(shù)和零偏，然后對慣性器件測量值進行標定和補償，達到更為準確的測量標定效果，最后對該方法的應用局限性進行了分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三軸多功能速率位置轉臺對微慣性測量組合進行精確標定的全部待標定參數(shù)圖；

圖2是本發(fā)明三個軸向加速度計輸出與轉臺精確標定后相應輸出對比曲線圖。

具體實施方式

以下實施例僅處于說明性目的，而不是想要限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

本發(fā)明一種慣性傳感器的測量標定方法，包括如下步驟：

(1)建立東北天坐標系，通過fpga控制器設計的ad9845數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標準的重力加速度，同時對基本的標定模型進行重力的偏移補償；

建立坐標系，對當前點重力加速度的測量：依據(jù)東北天坐標系，坐標系原點為0，坐標系x軸為慣性傳感器的正前方，坐標系y軸為慣性傳感器前進方向垂直向右，坐標系z軸為xoy平面的垂線方向向上，同時測量當前點的重力加速度，通過設計fpga控制器設計的ad9845采用數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其測量10次，求解平均數(shù)，如公式(1)所示，

在公式(1)中，g0為其重力加速度進行10測量電壓的平均值，gi為每次測量電壓量，同時當某個測量電壓與平均值相差大于預值時，剔除當前測量電壓；如公式(2)和公式(3)所示，

g＝gδ+g0(3)，

在公式(2)(3)中，gδ為其重力加速度進行10測量電壓的方差值，gi為每次測量電壓量，g為得到標準的重力加速度值。

所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器；

(2)依靠控制器設計慣性傳感器的運動軌跡，使其按照球體的運動方程進行移動，同時采集球體上x軸，y軸，z軸的電壓數(shù)據(jù)；并對電壓數(shù)據(jù)進行初步處理和分析，剔除一些因設備因其的無效數(shù)據(jù)；所述控制器為fpga控制器。

所述ad9845數(shù)模轉換裝置隨機采集在該測量慣性傳感器的輸出的電壓值，并通過fpga控制器設計電機驅(qū)動裝置，使其運動軌跡盡量覆蓋擬合橢球在三維空間范圍分布，得到一系列不同狀態(tài)下慣性傳感器的輸出電壓值，如公式(4)所示，

ui＝(ux,i,uy,i,uz,i)^ti＝(1,2,3…n)(4)。

所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器；

(3)建立橢圓曲面的方程，檢測到的電壓數(shù)據(jù)進行正交多項式的參數(shù)擬合，將最佳的橢球方程擬合標定模型參數(shù)，然后對慣性傳感器模型的數(shù)值進行標定和補償，使得慣性傳感器測量坐標的點與擬合后橢球曲線上相應點之間的距離平方和最小；

建立橢圓曲面數(shù)學模型表達式，利用正交多項式擬合方法進行參數(shù)擬合：建立橢球曲面的方程式，如公式(5)所示，

f(ξ,t)＝ξ^tt＝ax²+by²+cz²+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+l＝0(5)，

在公式(5)中，x,y,z為步驟(1)設計坐標系，ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t為橢球曲面方程系數(shù)，也稱為擬合參數(shù)向量，t＝[x²,y²,z²,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]^t為測量數(shù)據(jù)的坐標系向量組合，f(ξ,t)為坐標系(x,y,z)到該橢球f(ξ,t)＝0對應的距離值，并對參數(shù)進行擬合正交多項式的參數(shù)擬合，求解出ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t所有參數(shù)。

(4)將擬合的橢球曲面方程進行正交變換法二次標準型分解，先得到特征方程和它對應的特征向量；然后計算所提到的慣性傳感器所有的未確定參數(shù)，并將參數(shù)帶入方程去驗證，完成慣性傳感器標定的輸出參數(shù)；

對所述橢球曲面方程，如公式(6)所示，

(λ-λ0)^tq(λ-λ0)＝1(6)，

在公式(6)中，表示與橢球半軸參數(shù)及慣性傳感器單元旋轉某

一角度時相關的橢球曲面矩陣；為橢球曲面的坐標原點；

對公示(7)進行變形，推導如下：

公式(7)中，設定利用公式(7)與公式(8)進行參數(shù)匹配，得到方程式

在公式(9)中，求解出橢圓曲面特征向量q，橢圓坐標值λ0，利用這兩個，求解出橢圓曲面特征向量的逆矩陣q^-1。

(5)根據(jù)慣性傳感器的輸出標定，對該慣性傳感器標定的輸出參數(shù)進行試驗驗證。由步驟(4)獲得橢球曲面方程標準表達式，完成慣性傳感器的輸出標定。

實施例2

實施例2與實施例1的區(qū)別在于：在步驟(1)中，建立東北天坐標系，通過dsp控制器設計的ad9845數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標準的重力加速度，同時對基本的標定模型進行重力的偏移補償；所述慣性傳感器為inemo-m1慣性傳感器；在步驟(2)中，所述控制器為dsp控制器。所述慣性傳感器為inemo-m1慣性傳感器。

實施例3

實施例3與實施例1的區(qū)別在于：在步驟(1)中，建立東北天坐標系，通過arm控制器設計的ad9845數(shù)模轉換裝置采集測量當前點重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標準的重力加速度，同時對基本的標定模型進行重力的偏移補償；

在步驟(2)中，所述控制器為arm控制器。

試驗1

為了驗證該標定方法的可行性及有效性，本文以實驗室自組微慣性測量組合為測試平臺進行試驗對比分析。

試驗中，如圖1所示，首先通過三軸多功能速率位置轉臺對微慣性測量組合進行精確標定，得到其全部待標定參數(shù)。30天后，依照上述現(xiàn)場快速標定方案采集該微慣性測量組合23個不同姿態(tài)下的輸出電壓，對其進行基于橢球約束的最小二乘法擬合，得到如圖1所示橢球體方程，進而結合前期標定結果得到此時微慣性測量組合全部待標定參數(shù)，如表1所示。于此同時，通過轉臺對該微慣性測量組合進行精確標定，得到的全部待標定參數(shù)如表2所示。對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，由于加速度計零偏計算與標度因數(shù)計算相互獨立，因此其現(xiàn)場快速標定結果與轉臺標定結果更為接近，而標度因數(shù)由于存在模型簡化存在一定程度的計算誤差?，F(xiàn)場快速標定結果如表1所示，

表1

轉臺標定結果如表2所示，

表2

當微慣性測量組合x軸和y軸感受加速度為零，軸敏感重力加速度狀態(tài)下，分別將這兩種不同方法計算得到的待標定參數(shù)應用到其輸出標定，則經(jīng)過現(xiàn)場快速標定后三個軸向加速度計輸出與轉臺精確標定后相應輸出對比曲線如圖2所示?，F(xiàn)場快速標定精度與轉臺標定相比有所下降，但總體能夠很好逼近轉臺標定效果。

試驗結果表明，所提出的微慣性測量組合現(xiàn)場快速標定方法具有操作方便、省時、精度高，不依賴精密儀器提供方向基準和水平基準等特點，滿足了微慣性測量系統(tǒng)實際應用中短時間高精度的測試需求。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。