一種新型mems慣性傳感器陣列余度配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種新型MEMS慣性傳感器陣列余度配置方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著MEMS慣性技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，MEMS慣性測量單元以體積小、易集 成、成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于車船、無人機等領(lǐng)域，為載體實時提供載體角速率、加速度、 姿態(tài)、速度和位置等重要狀態(tài)信息。
[0003] 但一般工業(yè)用高性能MEMS慣性測量單元測量范圍較小，難以適應(yīng)一些載體在突 發(fā)干擾下的大加速度和大角速率輸入測量需求，導(dǎo)致測量出錯或性能嚴(yán)重下降，甚至危及 載體及人員安全。而目前市場上的消費級低成本MEMS慣性測量單元雖然具有小體積、低 功耗、寬量程的特性，但產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品性能無法滿足絕大部分載體的導(dǎo)航需求。針對 此MEMS慣性測量單元的工程實用問題，可以考慮采用陣列余度配置方案，將工業(yè)用高性能 MEMS慣性測量單元與消費級低成本MEMS慣性測量單元集成在一起，從而增強MEMS慣性測 量單元的測量性能。然而傳統(tǒng)的陣列傳感器配置方法采用的是同一性能等級甚至同一型號 傳感器在空間上構(gòu)成多余度配置，通過增加傳感器測量信息的數(shù)量，經(jīng)過融合信息處理算 法獲得更高的測量精度和測量性能。因此為了將工業(yè)用高性能MEMS慣性測量單元與消費 級低成本MEMS慣性測量單元這兩類不同性能等級的慣性傳感器集成在一起，亟需設(shè)計一 種新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置 方法。
[0005] -種新型MEMS慣性傳感器的陣列余度配置方法，其特征在于，包括：
[0006] 提供第一慣性測量單元和第二慣性測量單元；
[0007] 將所述第一慣性測量單元和所述第二慣性測量單元以陣列余度配置方式集成安 裝并連接至微處理器；
[0008] 對集成后的所述第一慣性測量單元進行誤差的標(biāo)定和補償；
[0009] 于所述第一慣性測量單元的測量范圍內(nèi)，以第一慣性測量單元輸出數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對 所述第二慣性測量單元誤差進行標(biāo)定，將補償后的第二慣性測量單元與第一慣性測量單元 輸出的數(shù)據(jù)進行融合處理，以提高所述MEMS慣性傳感器的測量性能。
[0010] 上述新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置方法，其特征在于，所述方法 還包括：
[0011] 利用轉(zhuǎn)臺對所述第一慣性測量單元進行離線標(biāo)定，并記錄所述第一慣性測量單元 的零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差；
[0012] 將所述第一慣性測量單元的零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差存儲至微處理器連 接的存儲單元中，用以對所述第一慣性測量單元進行誤差修正。
[0013]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置方法，其特征在于，所述方法 還包括：
[0014]采用擴展卡爾曼濾波算法以所述誤差補償后的第一慣性測量單元的測量數(shù)據(jù)為 基準(zhǔn)對所第二慣性測量單元誤差進行在線標(biāo)定，并對所述第二慣性測量單元進行誤差修 正，對誤差補償和修正后的所述第一慣性測量單元和第二慣性測量單元的測量數(shù)據(jù)進行融 合處理。
[0015]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置方法，其特征在于，所述測量 性能包括零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性、測量可靠性。
[0016]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配置方法，其特征在于，所述第一 慣性測量單元的測量范圍低于所述第二慣性測量單元，所述第一慣性測量單元的測量穩(wěn)定 性、測量重復(fù)性性能優(yōu)于所述第二慣性測量單元。
[0017]綜上所述，本發(fā)明公開設(shè)計的一種新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配 置方法，將不同型號的慣性測量單元在傳感器的系統(tǒng)層進行余度配置，通過兩個不同型號 的慣性測量單元的性能進行互補，經(jīng)過整體的信息融合，實現(xiàn)系統(tǒng)層的整體性能提升，這樣 可以在幾乎不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下，有效提高融合后的慣性測量單元的測量性能和 測量范圍。
【附圖說明】
[0018]參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實施例。然而，所附附圖僅用于說明和 闡述，并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。
[0019] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但是不作為本發(fā)明的限 定。
[0022] 本發(fā)明的核心思想是，在采用不同性能的傳感器，且不是在單一的傳感器層進行 余度配置，而是在系統(tǒng)層（MU慣性測量單元），其提高系統(tǒng)性能和精度并非單純通過增加 傳感器測量信息的數(shù)量實現(xiàn)，而是通過不同性能傳感器的性能互補特點，經(jīng)過整體的信息 融合，實現(xiàn)系統(tǒng)層的整體性能提升，整個系統(tǒng)中是包含一套性能高但測量范圍較窄的MEMS 慣性測量單元與一套性能較差但測量范圍較寬的MEMS慣性測量單元，經(jīng)過整體信息融合， 可以在幾乎不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下，有效提高集成后IMU的測量性能和測量范圍。
[0023] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明設(shè)計的一種新型MEMS慣性傳感器性能增強的陣列余度配 置方法，首先是提供兩個MEMS慣性測量單元，分別是性能高但測量范圍較窄的第一MEMS慣 性測量單元，性能較差但測量范圍較寬的第二MEMS慣性測量單元，然后將第一慣性測量單 元和第二慣性測量單元與微處理器連接，對第一慣性測量單元和第二慣性測量單元進行誤 差標(biāo)定和補償，將第一慣性測量單元和第二慣性測量單元誤差標(biāo)定和補償后的測量數(shù)據(jù)進 行融合處理，通過對外數(shù)據(jù)接口傳輸出去，以提高整個慣性測量單元的測量性能。
[0024] 具體的，先是硬件層的選型和集成：
[0025] -般情況下，選擇高性能窄測量范圍的第一慣性測量單元，其主要指標(biāo)是根據(jù)微 機械測量傳感器的陀螺儀和加速度計的零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性決定，一般參考依據(jù)是第 一慣性測量單元的傳感器的零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性指標(biāo)高出第二慣性測量單元的有關(guān) 指標(biāo)的1〇〇倍，第二慣性測量單元的測量范圍應(yīng)在第一慣性測量單元的測量范圍的5倍以 上，第二慣性測量單元的硬件成本應(yīng)在第一慣性測量單元的成本1/100以下，在此選型基 礎(chǔ)上根據(jù)圖1的框圖進行硬件集成。
[0026] 然后就是對第一慣性測量單元的誤差標(biāo)定與補償：
[0027] 利用轉(zhuǎn)臺設(shè)備對集成后的慣性測量單元硬件進行離線標(biāo)定，并記錄第一慣性測量 單元的傳感器零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差，并將該誤差存入處理器對應(yīng)的存儲單元 中，從而使得標(biāo)定后的慣性測量單元每次上電工作都可以自動利用誤差補償算法對第一慣 性測量單元的誤差進行修正，從而提高第一慣性測量單元的系統(tǒng)性能。
[0028] 接著利用修正后的第一慣性測量單元數(shù)據(jù)對第二慣性測量單元進行誤差在線標(biāo) 定與補償：
[0029] 由于實際使用過程中絕大部分時間第一慣性測量單元都工作在第一慣性測量單 元的測量范圍內(nèi)，而此時第一慣性測量單元具有較高的測量精度，因此，我們可以在第一慣 性測量單元的工作范圍內(nèi)，使用其數(shù)據(jù)作為測量基準(zhǔn)，通過在線標(biāo)定算法對第二慣性測量 單元的誤差進行在線估計，并利用此誤差和誤差補償算法，提高第二慣性測量單元的測量 性能。
[0030] 具體的第二慣性測量單元誤差參數(shù)在線標(biāo)定與補償方法主要包括如下步驟：
[0031] a、建立即第二慣性測量單元誤差參數(shù)在線標(biāo)定方法的狀態(tài)估計方程。其狀態(tài)估計 (i) (2) 與MEMS陀螺儀相關(guān)的狀態(tài)量Xi中的各項分別表示：為第二慣性測量單元中的 MEMS陀螺儀估計的投影在第一慣性測量單元中的MEMS陀螺儀坐標(biāo)系中的三軸陀螺儀數(shù) 據(jù)；[εχ，εy，εJ為第二慣性測量單元中的MEMS陀螺儀與第一慣性測量單元中的MEMS陀 螺儀之間的零偏誤差，[0gx，0gy，0gz]為第二慣性測量單元中的MEMS陀螺儀與第一慣性 測量單元中的MEMS陀螺儀之間的安裝誤差角；[Kgx，Kgy，Kgz]為第二慣性測