一種慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的三軸加速度計標定方法
【專利摘要】本發(fā)明請求保護一種慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的三軸加速度計標定方法，本方法通過在水平臺上作十字叉標志來實現(xiàn)，所述水平臺為任意與地平面平行的平臺，所述十字叉為任意兩條相互垂直的標志；以加速度計原始值為處理對象，所述原始值為沒有除以刻度因子的值；對六個位置的加速度計原始值進行濾波處理，所述六個位置為以十字叉為參考的六個位置；并對濾波后的原始值通過最小二乘法進行溫度補償；再對溫度補償后的原始值取平均值作為六個位置對應的原始值；最終通過加速度計標定系數(shù)獲取公式得到誤差校準模型的標定系數(shù)。本方法能夠克服由于刻度因子不固定引起標定誤差、標定過程復雜、溫漂和標定周期長的問題。
【專利說明】
一種慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的三軸加速度計標定方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于一種基于十字叉的三軸加速度計標定方法，特別涉及慣性導航系統(tǒng)中 加速度計的標定方法。
【背景技術】
[0002] 在慣性導航系統(tǒng)中，加速度計的測量精度受安裝誤差、零偏和刻度因子的影響，使 得它的應用范圍受到限制，因此對加速度計進行標定是很有必要的。標定方法包括:傳統(tǒng)六 位置法，基于火箭撬試驗的加速度計標定方法，基于北斗二代速度信息的加速度計標定方 法以及基于迭代計算的加速度計標定方法等。傳統(tǒng)六位置法是對加速度計的實際值（即對 除了刻度因子的值)進行標定，原理簡單，操作方便，但在實際應用中，加速度計的刻度因子 并不是固定的，在一定程度上受安裝誤差影響，因此不能避免由于刻度因子造成的誤差?；?于火箭撬試驗的加速度計標定方法利用位置函數(shù)建立遙外測誤差和誤差系數(shù)關系，并對加 速度計誤差系數(shù)進行標定，精度高，但標定過程復雜?；诒倍范俣刃畔⒌募铀俣扔嫎?定方法能夠?qū)崿F(xiàn)加速度計的動態(tài)標定，且能夠降低溫度變化對于加速度計精度的影響，精 度高，但需要搭建加速度計測量標定系統(tǒng)，且標定過程復雜?；诘嬎愕募铀俣扔嫎硕?方法非線性適應性強，能夠拓展標定算法的應用范圍，但計算過程較為繁瑣。對現(xiàn)有技術進 行檢索，得到以下三篇相關技術文獻。文獻【1】提出對加速度計的實際值進行六位置法標 定，不能避免由于刻度因子變化造成的誤差;文獻【2】對三軸加速度計的實際值通過六位置 法進行標定，需借助特定三軸轉(zhuǎn)臺實現(xiàn);文獻【3】提出改進的六位置快速標定方法，同樣借 助帶溫箱和不帶溫箱的轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)，限制了該標定方法的使用條件。
[0003] [ 1 ]宋麗君，秦永元.MEMS加速度計的六位置測試法[J].測控技術，2009，28(7): 11-13.
[0004] [2]彭孝東，張鐵民，李繼宇，等.三軸數(shù)字MEMS加速度計現(xiàn)場標定方法[J].振動. 測試與診斷，2014，34(3): 544-548 ·
[0005] [3]王小春，李榮冰，杭義軍，等.MEMS加速度計誤差的高精度標定方法[J].微納電 子技術，2012，49 (11): 743-748 ·
[0006] 基于以上所述，本發(fā)明提出了一種基于十字叉的三軸加速度計標定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對以上技術的不足，提出了一種方法。本發(fā)明的技術方案如下：
[0008] 一種慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的三軸加速度計標定方法，其包括以下步驟：
[0009] 101、在慣性導航系統(tǒng)中選定一個與地平面平行的水平臺面；
[0010] 102、在步驟101選定水平臺面的任意位置作一個十字叉標志；
[0011] 103、對慣性導航系統(tǒng)中的慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸分別與步驟102的十 字叉標志的軸進行重合，選取出六個位置，采集慣性測量單元的六個位置的加速度原始值；
[0012] 104、將步驟103測量的六個位置采集的加速度原始值分別做濾波處理；
[0013] 105、然后對步驟104經(jīng)過濾波處理后的六個位置采集的加速度原始值進行溫度補 償；
[0014] 106、對六個位置經(jīng)溫度補償后的原始數(shù)據(jù)取平均值，作為六個位置加速度計所對 應的原始值，共六組；
[0015] 107、計算慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸的輸出模型、誤差輸出模型、誤差校準 模型，得出慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸的加速度計標定系數(shù)，并按照加速度計標定系 數(shù)進行標定。
[0016] 進一步的，步驟103包括:A1、將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向上放置，縱 軸32和十字叉2的其中一條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測 量單兀3的橫軸31和縱軸32兩個軸；
[0017] A2、將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向下放置，縱軸32和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟Al的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣 性測量單元3的橫軸31和縱軸32兩個軸；
[0018] A3、將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向上放置，豎軸33和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測量單元3的縱軸32和豎軸 33兩個軸；
[0019] A4、將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向下放置，豎軸33和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟A3的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣 性測量單元3的縱軸32和豎軸33兩個軸；
[0020] A5、將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向上放置，橫軸31和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測量單元3的縱軸33和橫軸 31兩個軸；
[0021] A6、將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向下放置，橫軸31和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟A5的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣 性測量單元3的縱軸33和橫軸31兩個軸。
[0022]進一步的，所述步驟104:將步驟103測量的六個位置采集的加速度原始值分別做 濾波處理采用的濾波方法為卡爾曼濾波。
[0023]進一步的，所述步驟105溫度補償采用最小二乘法擬合的方式進行補償。
[0024]進一步的，所述步驟107計算加速度計的輸出模型，其中橫軸41的輸出模型為：
[0025] Ax=ax〇+Kax X ax+Kaxi X ax2+Kax2 X ax X ax' (I)
[0026] 其中，用Ax表示橫軸41的原始輸出值，單位為mV，axQ表示它的原始零偏數(shù)據(jù)，單位 為mV，K ax為刻度因子，單位為mV/(m/s2)，Kaxl代表加速度計橫軸的二階非線性系數(shù)，單位為 mV/(m/s2)2，Kax2為交叉親合系數(shù)，單位為mV/(m/s 2)2，ax表示橫軸41方向的加速度計值，單位 為(m/s2)』/表示與橫軸方向垂直的加速度計值，單位為(m/s 2)。公式（1)中交叉干擾項和 非線性項造成的非線性誤差低于5%。，本發(fā)明方法在處理時忽略了這兩項的影響，因此，加 速度計原始輸出值模型可表示為：
[0027] Ax=ax〇+KaxXax (2)
[0028] 進一步的，所述步驟107三軸加速度計的誤差輸出模型表示為
[0029]
[0030] 其中，Ax，Ay，Az分別表示加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43三個軸的原始測量值， 單位為mV; ax〇，ayQ和az〇則分別表示各軸的原始零偏值，單位為mV; Saxl，Sax2，Sayl，Sax2，S azl和 Saz2代表加速度計的安裝誤差系數(shù);Kax，Kay和Kaz為加速度計的刻度因子; &^^2分別為加 速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43三個軸的理論值。
[0031] 進一步的，所述步驟107的三軸加速度計的誤差校準模型：
[0032]
[0033] 式(4)中，ax，ay，az即可表示為經(jīng)過標定后的加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43的 實際測量值，單位為(m/s2)。
[0034] 進一步的，所述加速度計標定系數(shù)獲取公式
[0035]
[0036] 12345 2 式（5)-(7)中，（Axi，Ayi，Azi)，（Ax2，Ay2，A Z2)，（Ax3，Ay3，AZ3)，（Ax4，Ay4，A Z5)，（Ax5，Ay5， AZ5)，(Ax6，Ay6，AZ6)分別為六個位置加速度計所對應的原始值，單位為mV。 3 (確認一下是不是每個符號都有物理含義描述，axQ，ayQ，az()在公式(3)做了說明） 4 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下： 5 步驟1〇1、1〇2可看出本發(fā)明不需借助轉(zhuǎn)臺，易于操作;本發(fā)明對加速度計原始測量 值進行處理，可以克服由于刻度因子不固定引起標定誤差的缺點;步驟104對原始數(shù)據(jù)作濾 波處理，能夠降低噪聲對原始數(shù)據(jù)的影響；步驟105對原始數(shù)據(jù)進行溫度，可以抑制溫度漂 移;步驟107可看出本發(fā)明標定過程簡單且周期短。
[0042]本發(fā)明在慣性導航系統(tǒng)中涉及加速度計的標定有著廣泛的應用前景，對提高加速 度計的測量精度有重要意義，進而擴展慣性導航系統(tǒng)的應用領域。
【附圖說明】
[0043]圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例基于十字叉的三軸加速度計標定方法流程圖；
[0044] 圖2是水平臺、十字叉標志和慣性測量單元圖；
[0045] 圖3是加速度計溫度補償圖。
【具體實施方式】
[0046] 以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步說明：
[0047]如圖1所示，一種基于十字叉的三軸加速度計標定方法，步驟如下：
[0048] (1)先確定一個水平臺1，所述水平臺為與地平面0平行的平臺，其特征在于:任意 平臺面與地平面平行的均可作為水平臺；
[0049] (2)在水平臺面任意位置作一個十字叉標志2,所述十字叉為任意兩條相互垂直的 標志21和22,其中十字叉標志在水平臺1內(nèi)任何位置，不受方向束縛；
[0050] (3)將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向上放置，縱軸32和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不影響標定精度情況下，僅對準 慣性測量單元3的橫軸31和縱軸32兩個軸，能夠縮短對準時間；
[0051] (4)將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向下放置，縱軸32和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟(3)的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不 影響標定精度情況下，僅對準慣性測量單元3的橫軸31和縱軸32兩個軸，能夠縮短對準時 間；
[0052] (5)將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向上放置，豎軸33和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不影響標定精度情況下，僅對準 慣性測量單元3的縱軸32和豎軸33兩個軸，能夠縮短對準時間；
[0053] (6)將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向下放置，豎軸33和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟(5)的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不 影響標定精度情況下，僅對準慣性測量單元3的縱軸32和豎軸33兩個軸，能夠縮短對準時 間；
[0054] (7)將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向上放置，橫軸31和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不影響標定精度情況下，僅對準 慣性測量單元3的縱軸33和橫軸31兩個軸，能夠縮短對準時間；
[0055] (8)將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向下放置，橫軸31和十字叉2的其中一 條線21或者22重合，且方向和步驟(7)的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，其中在不 影響標定精度情況下，僅對準慣性測量單元3的縱軸33和橫軸31兩個軸，能夠縮短對準時 間；
[0056] (9)對步驟(3)至步驟(8)共六個位置采集的加速度原始數(shù)據(jù)分別做濾波處理，其 中每個位置的原始數(shù)據(jù)所采用的濾波方式為Kalman濾波；
[0057] (10)對六個位置濾波后的數(shù)據(jù)做溫度補償處理，其中溫度補償方式為最小二乘法 擬合；
[0058] (11)對六個位置經(jīng)溫度補償后的原始數(shù)據(jù)取平均值，作為六個位置加速度計所對 應的原始值，共六組；
[0059] (12)加速度計4的橫軸41的輸出模型：
[0060] Ax=ax〇+Kax X ax+Kaxi X ax2+Kax2 X ax X ax7 (I)
[0061] 其中，用Ax表示橫軸41的原始輸出值，單位為mV，axQ表示它的原始零偏數(shù)據(jù)，單位 為mV，K ax為刻度因子，單位為mV/(m/s2)，Kaxl代表加速度計橫軸的二階非線性系數(shù)，單位為 mV/(m/s2)2，Kax2為交叉親合系數(shù)，單位為mV/(m/s 2)2，ax表示橫軸41方向的加速度計值，單位 為(m/s2)，a/表示與橫軸41方向垂直的加速度計值，單位為(m/s 2)。對于加速度計而言，公 式（1)中交叉干擾項和非線性項造成的非線性誤差低于5%。，本發(fā)明方法在進行處理時忽略 了這兩項的影響，因此，加速度計原始輸出值模型可表示為：
[0062] Ax=ax〇+KaxXax (2)
[0063] (13)三軸加速度計4由于受到安裝誤差的影響，因此，三軸加速度計的誤差輸出模 型表示為
[0064]
[0065]其中，Ax，Ay，Az分別表示加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43三個軸的原始測量值， 單位為mV; ax〇，ayQ和az〇則分別表示各軸的原始零偏值，單位為mV; Saxl，Sax2，Sayl，Sax2，S azl和 Saz2代表加速度計的安裝誤差系數(shù);Kax，Kay和Kaz為加速度計的刻度因子; &^^2分別為加 速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43三個軸的理論值。
[0066] (14)三軸加速度計的誤差校準模型：
[0067]
[0068] 式⑷中，ax，ay，az即可表示為經(jīng)過標定后的加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43的 實際測量值，單位為(m/s2)。
[0069] (15)加速度計標定系數(shù)獲取公式
[0070]
[0071]
[0072]
[0073] 式（5)_(7)中，，（Axl，Ayl，Azl)，（ Ax2，Ay2，Az2 )，（ Ax3，Ay3，Az3 )，（ Ax4，Ay4，Az5 )，（ Ax5，Ay5， AZ5)，(Ax6，Ay6，AZ6)分別為六個位置加速度計所對應的原始值，單位為mV。
[0074] 以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在 閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變 化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其特征在于，包括W下 步驟： 101、 在慣性導航系統(tǒng)中選定一個與地平面平行的水平臺面； 102、 在步驟101選定水平臺面的任意位置作一個十字叉標志； 103、 對慣性導航系統(tǒng)中的慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸分別與步驟102的十字叉 標志的軸進行重合，選取出六個位置，采集慣性測量單元的六個位置的加速度原始值； 104、 將步驟103測量的六個位置采集的加速度原始值分別做濾波處理； 105、 然后對步驟104經(jīng)過濾波處理后的六個位置采集的加速度原始值進行溫度補償； 106、 對六個位置經(jīng)溫度補償后的原始數(shù)據(jù)取平均值，作為六個位置加速度計所對應的 原始值，共六組； 107、 計算慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸的輸出模型、誤差輸出模型、誤差校準模 型，得出慣性測量單元的橫軸、縱軸及豎軸的加速度計標定系數(shù)，并按照加速度計標定系數(shù) 進行標定。2. 根據(jù)權利要求1所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其特 征在于，步驟103包括:A1、將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向上放置，縱軸32和十字 叉2的其中一條線21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測量單元3的橫 軸31和縱軸32兩個軸； A2、將慣性測量單元3的橫軸31垂直水平臺1向下放置，縱軸32和十字叉2的其中一條線 21或者22重合，且方向和步驟A1的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測 量單元3的橫軸31和縱軸32兩個軸； A3、將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向上放置，豎軸33和十字叉2的其中一條線 21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測量單元3的縱軸32和豎軸33兩 個軸； A4、將慣性測量單元3的縱軸32垂直水平臺1向下放置，豎軸33和十字叉2的其中一條 線21或者22重合，且方向和步驟A3的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性 測量單元3的縱軸32和豎軸33兩個軸； A5、將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向上放置，橫軸31和十字叉2的其中一條線 21或者22重合，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測量單元3的縱軸33和橫軸31兩 個軸； A6、將慣性測量單元3的豎軸33垂直水平臺1向下放置，橫軸31和十字叉2的其中一條線 21或者22重合，且方向和步驟A5的方向相反，采集加速度4的若干原始數(shù)據(jù)，僅對準慣性測 量單元3的縱軸33和橫軸31兩個軸。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其 特征在于，所述步驟104:將步驟103測量的六個位置采集的加速度原始值分別做濾波處理 采用的濾波方法為卡爾曼濾波。4. 根據(jù)權利要求1或2所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其 特征在于，所述步驟105溫度補償采用最小二乘法擬合的方式進行補償。5. 根據(jù)權利要求1或2所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其 特征在于，所述步驟107計算加速度計的輸出模型，其中橫軸41的輸出模型為： Αχ = axo+Kax X ax+Kaxi X ax2+Kax2 X ax X a/ (1) 其中，用Ax表示橫軸41的原始輸出值，單位為mV，ax〇表示它的原始零偏數(shù)據(jù)，單位為mV， Kax為刻度因子，單位為mV/(m/s2)，Kaxi代表加速度計橫軸的二階非線性系數(shù)，單位為mV/(m/ s2)2，Kax2為交叉禪合系數(shù)，單位為mV/^(m/s2) 2，ax表示橫軸41方向的加速度計值，單位為(m/ s2)，a/表示與橫軸方向垂直的加速度計值，單位為(m/s2)，公式（1)中交叉干擾項和非線性 項造成的非線性誤差低于5%。，因此，加速度計原始輸出值模型可表示為： Αχ 二曰xO+Kax X 曰X (2)。6. 根據(jù)權利要求5所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其特 征在于，所述步驟107Ξ軸加速度計的誤差輸出模型表示為其中，Αχ, Ay, Az分別表示加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43Ξ個軸的原始測量值，單位 為mV ; 3x0，ay日和az日則分別表不各軸的原始零偏值，單位為mV ; Saxl，Sax2，Sayl，Sax2，Sazl和Saz2代 表加速度計的女裝差系數(shù);Kax ,Kay和Kaz為加速度計的刻度因子;3y ,3z分別為加速度計 4橫軸41、縱軸42、豎軸43Ξ個軸的理論值。7. 根據(jù)權利要求6所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其特 征在于，所述步驟107的Ξ軸加速度計的誤差校準模型：式(4)中，ax，ay，az即可表示為經(jīng)過標定后的加速度計4橫軸41、縱軸42、豎軸43的實際 測量值，單位為(m/s2)。8. 根據(jù)權利要求6所述的慣性導航系統(tǒng)中基于十字叉的Ξ軸加速度計標定方法，其特 征在于，所述加速度計標定系數(shù)獲取公式：式（5)-(7)中，（Axl，Ayl，Azl )，（ Ax2，Ay2，Az2 )，（ Ax3，Ay3，Az3 )，（ Ax4，Ay4，Az日），（Αχ 日，Ay 日，Az日）， (Ax6，Ay6，Az6)分別為六個位置加速度計所對應的原始值，單位為mV。
【文檔編號】G01P21/00GK105842481SQ201610158998
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】劉宇, 向高林, 路永樂, 李云梅, 劉期烈, 曹陽, 王伊冰, 龔大偉, 谷慶華
【申請人】重慶郵電大學