微慣性測量單元篩選方法及組合式微慣性測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微慣性測量單元篩選方法及組合式微慣性測量裝置。篩選方法中，根據(jù)多位置法計算角速度轉(zhuǎn)換矩陣，并計算組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，以組合式微慣性測量裝置的陀螺x軸或y軸或z軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線擬合方差最小為標(biāo)準(zhǔn)篩選微慣性測量單元；組合式微慣性測量裝置包括至少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元，微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用多個廉價的微慣性測量單元進行組合即可構(gòu)造較高性能的慣性測量系統(tǒng)，節(jié)省成本，具有更高的可靠性，降低溫度變化對陀螺零偏的影響，實現(xiàn)了慣性測量裝置的有效的誤差補償。
【專利說明】
微慣性測量單元篩選方法及組合式微慣性測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種慣性測量單元篩選方法及慣性測量裝置，尤其涉及一種微慣性測 量單元篩選方法及組合式微慣性測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 微慣性測量單元由三軸微加速度計和三軸微陀螺組成。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā) 展，采用微慣性測量單元作為慣性測量元件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以其體積小、重量輕、成本低 等特點普遍使用在手機，汽車，小型無人機等平臺上，使其可以為平臺提供運動的位置、速 度和姿態(tài)信息。而隨著人們活動的室內(nèi)空間越來越龐大和復(fù)雜，對商場、停車場、交通樞紐 等人員密集場所的定位和引導(dǎo)需求日趨強烈。而普遍使用的室外導(dǎo)航定位方法如:全球定 位系統(tǒng)(GPS)、移動通信定位系統(tǒng)等，在建筑物內(nèi)部工作時，信號易受到建筑物遮蔽或是周 圍環(huán)境變化等因素而無法有效工作。利用手機中的微慣性測量單元實現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航就成 為了一種有效的手段。同時隨著小型無人機的快速發(fā)展，如何利用微慣性測量單元為其提 供更為精確的姿態(tài)指示與控制策略具有廣闊的應(yīng)用。因此開展基于微慣性測量單元的研究 工作具有十分重要的意義。
[0003] 由微慣性測量單元構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航定位的精度受限于微陀螺及微加 速度計的精度，由于慣性導(dǎo)航的工作方式，使得微慣性器件的誤差會對導(dǎo)航定位產(chǎn)生誤差 的累積效應(yīng)。
[0004] 由于生產(chǎn)條件的限制，僅使用單個微慣性測量單元很難實現(xiàn)較高精度測量。而且， 慣性器件有很大概率具有方向相同、量值近似的誤差。若想僅通過篩選方法獲得性能較優(yōu) 的單個微慣性測量單元，不僅耗時費力，而且無法獲得滿意結(jié)果。
[0005] 目前抑制慣性器件誤差對導(dǎo)航定位的影響，主要通過以下兩種技術(shù)途徑:其一:純 慣性導(dǎo)航，利用靜止檢測(ZUPT)技術(shù)抑制微慣性器件誤差對導(dǎo)航結(jié)果的影響;其二:利用外 界信息與慣性系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航的方式補償并抑制慣性器件誤差對定位導(dǎo)航的影響，如無 線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等技術(shù)。上述兩種技術(shù)途徑均存在各自的劣勢，途徑一采用的靜止檢測(ZUPT) 對無法有效的抑制陀螺Z軸誤差對航向角的影響;途徑二會涉及到相應(yīng)的成本提升，需要在 外部布置額外的信號基站提供輔助信息，同時其面臨在突發(fā)狀況時有較大的失效風(fēng)險，如 在火災(zāi)，停電等狀況下。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有的微慣性測量單元及抑制慣性器件誤差的方法無法滿足實際測量 要求，因此從更為廣泛的使用角度考慮，如何采用新的慣性器件配置方案保證在現(xiàn)有慣性 器件精度的情況下提高導(dǎo)航定位精度成為亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為解決現(xiàn)有技術(shù)中微慣性測量單元在室內(nèi)導(dǎo)航定位、無人機姿 態(tài)指示等應(yīng)用中精度低、可靠性不高，且由于微慣性測量單元陀螺零偏隨著溫度變化明顯， 依據(jù)初始靜止時段獲得的零偏不能夠有效補償?shù)魷囟茸兓鶐淼牧闫兓募夹g(shù)問題， 提出了一種微慣性測量單元篩選方法及組合式微慣性測量裝置。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種微慣性測量單元篩選方法，其特征在于:所述 篩選方法以組合式微慣性測量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線擬合方差 最小為標(biāo)準(zhǔn)對微慣性測量單元進行篩選，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸;所述組合式 微慣性測量裝置包括安裝平臺和至少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元，所述微慣 性測量單元設(shè)置于安裝平臺上;所述篩選方法包括如下步驟：
[0009] (1)對待選的N個微慣性測量單元，采集并計算各個微慣性測量單元隨溫度變化的 陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)，其中2;
[0010] (2)隨機選擇m個微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上，得到Q個組合式微慣性測量 裝置，其中2彡m彡N;
[0011] (3)對每一個組合式微慣性測量裝置，計算各個微慣性測量單元的角速度測量坐 標(biāo)系與組合式微慣性測量裝置的角速度測量坐標(biāo)系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣；
[0012] (4)對每一個組合式微慣性測量裝置，根據(jù)各個微慣性測量單元隨溫度變化的陀 螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣，計算組合式微慣性測量裝置隨溫度變化 的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)；
[0013 ] (5)對Q個組合式微慣性測量裝置，重復(fù)步驟2)至步驟4 )，得到Q個組合式微慣性測 量裝置隨溫度變化的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)；
[0014] (6)對Q個組合式微慣性測量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線分 別進行擬合，并計算曲線的擬合方差；
[0015] (7)選擇Q個組合式微慣性測量裝置中曲線的擬合方差最小的組合式微慣性測量 裝置作為所需的組合式微慣性測量裝置。
[0016] 所述微慣性測量單元為三軸MEMS陀螺儀或六軸MEMS傳感器或九軸MEMS傳感器或 基于單軸MEMS陀螺儀開發(fā)的MEMS慣性測量單元。在篩選慣性測量單元時，陀螺X軸或y軸或z 軸的零偏數(shù)據(jù)都可作為篩選標(biāo)準(zhǔn)進行考慮。由于利用靜止檢測(ZUPT)的零速校正可以有效 的抑制水平方向上陀螺的誤差累積，因此x、y軸的陀螺零偏受溫度變化的影響也將會被抑 制，一般情況下，以減小陀螺z軸誤差影響作為主要考慮因素。通過設(shè)置至少2個可測量三軸 角速度的微慣性測量單元，即可有效減少組合式微慣性測量裝置的誤差。由于微慣性測量 單元陀螺零偏隨著溫度變化明顯，依據(jù)初始靜止時段獲得的零偏不能夠有效補償?shù)魷囟茸?化所帶來的零偏變化。因此，利用不同微慣性測量單元陀螺零偏隨溫度變化的趨勢存在差 異性的特點，通過篩選微慣性測量單元，使得組合式微慣性測量裝置的零偏受溫度變化影 響大為減小而相對穩(wěn)定，從而可以利用初始靜止時段獲得零偏加以補償。
[0017] 上述微慣性測量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(1)中，所述陀螺第一單 軸零偏數(shù)據(jù)由同一溫度下所采集的多個數(shù)據(jù)取均值得到。通過將測量結(jié)果求平均值，即可 減小各個軸的測量結(jié)果中的隨機誤差，提高測量精度。
[0018] 上述微慣性測量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(3)中，所述角速度轉(zhuǎn)換 矩陣通過多位置法得到，所述多位置法包括如下步驟：
[0019] (1)利用多位置法，改變組合式微慣性測量裝置的姿態(tài)，計算第i個微慣性測量單 元在不同姿態(tài)靜置時的加速度實際測量矩陣Y 1;;
[0020] (2)計算第i個微慣性測量單元在不同接觸面時的加速度理論測量矩陣Χ1;
[0021] (3)根據(jù)加速度實際測量矩陣Yi和加速度理論測量矩陣Xi，構(gòu)建組合式微慣性測量 裝置中第i個微慣性測量單元的加速度轉(zhuǎn)換模型如下：
[0022] ￥ =
[0023] 其中加速度轉(zhuǎn)換矩陣#為 ι?,,? η,Λν >ι,^ K,
[0024] η,,η hiy , Jh,:\ ?/；,η· Πι,-ζ
[0025]其中11^，11^，化,22為第1個微慣性測量單元的刻度系數(shù)，1^^、13〇、1^, 2分別為對 應(yīng)零偏，11&、11^、11^、11^、1^,^、1^,0分別代表第：[個微慣性測量單兀測量坐標(biāo)系三軸間 的非正交誤差和安裝誤差系數(shù)；
[0026] (4)利用最小二乘法，求解加速度轉(zhuǎn)換矩陣/?;'，即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣冗為 ^Ιι.'χχ '7?,、ν "Λ、：
[0027] ~ /?；," 77,vl；v 77；,ir ? jl·,, n^y
[0028] 上述微慣性測量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(6)中，通過最小二乘法 擬合組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的曲線。
[0029] 本發(fā)明還提供一種組合式微慣性測量裝置，其特征在于:包括安裝平臺和設(shè)置于 安裝平臺上的至少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元。通過在安裝平臺上簡單設(shè)置 至少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元，通過組合式微慣性測量裝置測量時即可使 得測量裝置的總體性能得到明顯改善，提高測量精度。
[0030] 進一步地，組合式微慣性測量裝置分為設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的2組微慣 性測量單元。由于同一批次的微慣性測量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺 零偏誤差，因此設(shè)置2組設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的微慣性測量單元，更容易降低誤差 對測量的影響。
[0031] 進一步地，所述微慣性測量單元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺，陀螺第一 單軸為X軸或y軸或ζ軸。令陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺，便于后續(xù)進行計算處理。根 據(jù)實際測量需要可選擇陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸。
[0032] 進一步地，所述設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的2組微慣性測量單元分別包括至 少2個微慣性測量單元，所述2組微慣性測量單元的陀螺第一單軸正向為相反方向，各組中 的微慣性測量單元緊密排列且根據(jù)中心點對稱設(shè)置，各組中的微慣性測量單元的除陀螺第 一單軸之外的各軸的正向彼此間隔角度相同。對于采用多位置法的加速度標(biāo)定方法，通過 設(shè)置具有相同的陀螺第一單軸輸出方向的N個微慣性測量單元的陀螺X軸正向彼此間隔角 度相同且根據(jù)中心點對稱設(shè)置，可以實現(xiàn)多位置加速度標(biāo)定方法中不同位置的各個微慣性 測量單元的誤差的抵消，并且可以提高組合式微慣性測量裝置的加速度測量精度。
[0033] 進一步地，設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的2組微慣性測量單元具有相同數(shù)量的 微慣性測量單元。同一批次的微慣性測量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺 零偏誤差。因此可以通過簡單地布置兩組具有相反陀螺第一單軸輸出方向的微慣性測量單 元，使得處于異面的微慣性測量單元的陀螺第一單軸輸出中所包含的零偏可以最大程度的 相互抵消，降低誤差影響。即使沒有高精度轉(zhuǎn)臺進行陀螺標(biāo)定，也可以最大程度上保持航向 角，從而改善導(dǎo)航定位的精度。因此，將2組微慣性測量單元分別設(shè)置于安裝平臺的正面和 背面，可以進一步地降低誤差影響。
[0034]進一步地，組合式微慣性測量裝置包括4個或8個微慣性測量單元。
[0035]相比于現(xiàn)有的微慣性測量裝置，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和效果：
[0036] (1)利用多個廉價的微慣性測量單元進行組合即可構(gòu)造較高性能的慣性測量系 統(tǒng)，節(jié)省了成本;相比較采用單個微慣性測量單元的系統(tǒng)來說，本發(fā)明中提出的組合式微慣 性測量裝置有更高的可靠性，應(yīng)對突發(fā)狀況更具有優(yōu)勢；
[0037] (2)利用多個微慣性測量單元提供測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的多樣性，利用測量數(shù) 據(jù)的多樣性降低慣性器件在工作中摻雜的隨機誤差，使得組合后的組合式微慣性測量裝置 的陀螺零偏受溫度變化的影響更小，有效的抑制單個微慣性測量單元的隨機誤差影響，提 高定位精度；
[0038] (3)本發(fā)明的組合式微慣性測量裝置，在對精度要求不是太高的情況下，可以省去 利用高精度轉(zhuǎn)臺對陀螺校準(zhǔn)的過程，降低了校準(zhǔn)成本和校準(zhǔn)難度；
[0039] (4)通過溫度標(biāo)定對微慣性測量單元進行組合，降低了溫度變化對陀螺零偏的影 響，實現(xiàn)了有效的陀螺誤差補償，使得對陀螺零偏的校準(zhǔn)更為簡單；
[0040] (5)通過具有相同的陀螺第一單軸輸出方向的多個微慣性測量單元的陀螺X軸正 向彼此間隔角度相同且根據(jù)中心點對稱設(shè)置，可以降低多位置法加速度標(biāo)定的標(biāo)定誤差。
【附圖說明】
[0041 ]圖1為本發(fā)明的微慣性測量單元篩選方法流程圖；
[0042] 圖2(a)為本發(fā)明的組合式微慣性測量裝置中設(shè)置于安裝平臺正面的4個微慣性測 量單兀的布置不意圖，其中oxm頂uyM頂uzm頂u表不組合式微慣性測量裝置的坐標(biāo)系；oixiyizi、 02X2y2Z2、03X3y3Z3、04X4y4Z4表示單個微慣性測量單元測量的坐標(biāo)系，且0、01、02、03、04分另|J為 相應(yīng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點；
[0043] 圖2(b)為本發(fā)明的組合式微慣性測量裝置的分別設(shè)置于安裝平臺的正面和背面 的2個微慣性測量單兀的布置不意圖，其中OXM頂UyMIMUZMM表不組合式微慣性測量裝置的坐 標(biāo)系;〇5X5y5Z5、06X6y6Z6表示單個微慣性測量單元測量的坐標(biāo)系，其中，?代表X軸方向為垂 直紙面向外的方向，?代表X軸方向為垂直紙面向里的方向，且0、05、06分別為相應(yīng)坐標(biāo)系的 坐標(biāo)原點；
[0044] 圖3為溫度區(qū)間內(nèi)組合式微慣性測量裝置的陀螺Z軸輸出以及分別設(shè)置于安裝平 臺的正面、背面的單個微慣性測量單元的陀螺z軸角速度的對比圖，其中曲線①表示溫度區(qū) 間內(nèi)設(shè)置于安裝平臺的正面的單個微慣性測量單元的陀螺z軸角速度，曲線②表示溫度區(qū) 間內(nèi)組合式微慣性測量裝置的陀螺z軸角速度，曲線③表示溫度區(qū)間內(nèi)設(shè)置于安裝平臺的 背面的單個微慣性測量單元的陀螺z軸角速度，其中組合式微慣性測量裝置包括設(shè)置于安 裝平臺的正面和背面的微慣性測量單元；
[0045] 圖4為靜止條件下，組合式微慣性測量裝置隨時間變化的z軸姿態(tài)解算結(jié)果以及分 別設(shè)置于安裝平臺的正面、背面的單個微慣性測量單元的陀螺z軸姿態(tài)解算結(jié)果對比圖，其 中曲線①表示表示靜止條件下設(shè)置于安裝平臺的正面的單個微慣性測量單元的陀螺z軸姿 態(tài)解算結(jié)果，曲線②表示靜止條件下組合式微慣性測量裝置隨時間變化的Z軸姿態(tài)解算結(jié) 果，曲線③表示表示靜止條件下設(shè)置于安裝平臺的背面的單個微慣性測量單元的陀螺Z軸 姿態(tài)解算結(jié)果，其中組合式微慣性測量裝置包括設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的微慣性測 量單元。
【具體實施方式】
[0046]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行描述。 [0047]如圖1 一4所示，一種組合式微慣性測量裝置，包括至少2個可測量三軸角速度的微 慣性測量單元，微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上。
[0048]組合式微慣性測量裝置中，微慣性測量單元的設(shè)置有2種方案：
[0049] (1)所有微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺的同一面；
[0050] (2)微慣性測量單元可分為設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的2組微慣性測量單元。
[0051] 考慮到慣性導(dǎo)航應(yīng)用在室內(nèi)定位這一場合時，其航向角的精度對導(dǎo)航定位的精度 影響較大，且同一批次的微慣性測量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺零偏 誤差。因此采用方案(2)中的布置方式，相比于方案（1)，可以進一步降低誤差影響，實現(xiàn)精 度更高的測量。
[0052] 進一步地，可令微慣性測量單元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺，可以進一 步簡化計算過車工。本發(fā)明中的陀螺第一單軸以z軸為例，對于X軸、y軸的處理方法相似。同 時，也可設(shè)置安裝平臺正面和背面的微慣性測量單元為相同的個數(shù)，也可簡化計算?？紤]到 運算的復(fù)雜程度，組合式微慣性測量裝置一般由4個或8個微慣性測量單元組成，即在安裝 平臺的正面、背面分別設(shè)置2個或4個微慣性測量單元。若需要更改的慣性測量精度，也可采 用12個、16個甚至更多的微慣性測量單元的組合。
[0053]組合式微慣性測量裝置中的微慣性測量單元根據(jù)微慣性測量單元篩選方法得到， 所述篩選方法以組合式微慣性測量裝置的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線擬合方差最 小為標(biāo)準(zhǔn)對微慣性測量單元進行篩選。所述篩選方法包括如下步驟：
[0054] (1)采集并計算各個微慣性測量單元內(nèi)隨溫度變化的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)
[0055] 首先將N個待選微慣性測量單元放置在恒溫箱中，其中N多2。設(shè)定全溫度范圍的溫 度變化區(qū)間為[Tmin，T max]，從Tmin開始，每隔△ T，在各個溫度時采集多個陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)， 其中Δ T可設(shè)置為0.1°C、0.2 °C、0.5 °C、1°C、2 °C或5 °C，或其他便于實際測量的值，其中Tmin、 Tmax的值根據(jù)實際應(yīng)用中慣性測量裝置的工作溫度范圍而確定，一般情況下，令T min$(TC， Tmax<90°C。可選擇溫度變化區(qū)間為[5°C，85°C]，每隔ΔΤ=1Γ調(diào)節(jié)一次恒溫箱的溫度，分 別對待選微慣性測量單元采集陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，將所采集的多個數(shù)據(jù)取均值，得到第i個 慣性測量單元在溫度T時的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)為MIMU^T為采集數(shù)據(jù)時的溫度，其中上標(biāo)i 代表微慣性測量單元的序號，l<i<N，則全溫度范圍內(nèi)，第i個微慣性測量單元的陀螺z軸 零偏數(shù)據(jù)為
[0056] MIMU，= [MIMU；·','，MIMU^ +ΛΓ，…，MIMU；_ ];
[0057] (2)隨機選擇m個微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上，得到Q個組合式微慣性測量 裝置，其中2彡m彡N;
[0058] (3)計算各個微慣性測量單元的測量坐標(biāo)系與組合式微慣性測量裝置的測量坐標(biāo) 系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣
[0059] 所述微慣性測量單元可測量三軸加速度。假定加速度測量坐標(biāo)系與角速度測量坐 標(biāo)系的x、y、z軸分別平行。
[0060] 將各個微慣性測量單元安裝到安裝平臺后，由于安裝時可能存在誤差，因此想要 確定組合式微慣性測量裝置的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，可以計算各個微慣性測量單元的測量坐 標(biāo)系與組合式微慣性測量裝置的測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。組合式微慣性測量裝置的測 量結(jié)果為各個微慣性測量單元的測量結(jié)果分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣相乘的乘積之和。
[0061] 第i個慣性測量單元的加速度測量坐標(biāo)系與組合式微慣性測量裝置的加速度測量 坐標(biāo)系之間的加速度轉(zhuǎn)換矩陣iT為 η；Λ}· ^ k,r
[0062] R；1 = η," /；,·", i],y: bjy , η,," }i,_v K,_
[0063]其中11^，11^，化,22為第1個微慣性測量單元的刻度系數(shù)，13^、13^、1^, 2分別為對 應(yīng)零偏，11&、11^、11^、11^、1^,^、1^,0分別代表第：[個微慣性測量單兀測量坐標(biāo)系三軸間 的非正交誤差和安裝誤差系數(shù)。
[0064] 求得第i個慣性測量單元的加速度轉(zhuǎn)換矩陣和，即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣尺。第i 個慣性測量單元的角速度測量坐標(biāo)系與組合式微慣性測量裝置的角速度測量坐標(biāo)系之間 的角速度轉(zhuǎn)換矩陣疋為
[0065] Κ 二1h'' !l;'yy?
[0066] 通過測量加速度實際測量矩陣和加速度理論測量矩陣，利用多位置法即可得到加 速度轉(zhuǎn)換矩陣所述多位置法包括：
[0067] ①將組合式微慣性測量裝置放置在多面體的中軸面上，并將多面體放置在水平面 上；
[0068] ②利用多位置法，依次改變多面體與水平面的接觸面，計算第i個微慣性測量單元 在不同接觸面時的加速度實際測量矩陣 m nnu m win m imu aix, …
[0069] X = <汐"心Γ1 …, m iniu m imu m imu α,Λ;_ a,a：_ …H-
[0070] 其中i = l，2,…，m，J為采用的多位置法的位置個數(shù)，J不小于4，J的常用取值為4、 6、8、12、16、24，丫1為3\了階矩陣；
[0071] ③計算各個微慣性測量單元在不同接觸面時的加速度理論測量矩陣XiS idt M idt Μ . Y . idetd ?Μ,, α,,?Λ "· aU,, ideal ideal ideal rnn79l x _ ?，,!,> - au,y 1 1
[0073] 其中XiS4XJ階矩陣，加速度理論測量值即為重力加速度與相應(yīng)角度的三角函數(shù) 值的乘積；
[0074] ④根據(jù)獲得加速度實際測量矩陣Yi和加速度理論測量矩陣Xi，構(gòu)建組合式微慣性 測量裝置轉(zhuǎn)換模型如下：
[0075] 。
[0076] 利用最小二乘法，使得式/(<) = ( Κ Κ4)取最小值，求解可得加速度 轉(zhuǎn)換矩陣尺1，即可求得角速度轉(zhuǎn)換矩陣祀。
[0077] (4)計算組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)
[0078] 對每一個組合式微慣性測量裝置，根據(jù)各個微慣性測量單元隨溫度變化的陀螺ζ 軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣計算組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的陀螺ζ軸 零偏數(shù)據(jù)，則包含m個微慣性測量單元的單個組合方案的組合式微慣性測量裝置在全溫度 區(qū)間內(nèi)的陀螺ζ軸輸出即為各個微慣性測量單元的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣的 乘積；
[0079] (5)重復(fù)步驟(2)至步驟(4)，得到Q個組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的陀螺ζ 軸零偏數(shù)據(jù)；
[0080] (6)曲線擬合與擬合方差的計算
[0081] 對Q個組合式微慣性測量裝置的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線分別進行擬 合，并計算曲線的擬合方差。
[0082]由于組合式微慣性測量裝置中陀螺ζ軸零偏隨溫度變化的理想曲線為直線，利用 最小二乘法擬合的方法獲得其在溫度區(qū)間[Tmin，Tmax]內(nèi)的陀螺ζ軸零偏隨溫度變化的擬合 曲線Lmhmu，并計算擬合方差。選擇Q個組合中擬合方差最小的組合，得到篩選的微慣性測量 單元，將篩選得到的微慣性測量單元構(gòu)成組合式微慣性測量裝置；
[0083] (7)選擇Q個組合式微慣性測量裝置中曲線的擬合方差最小的組合式微慣性測量 裝置作為所需的組合式微慣性測量裝置。
[0084]如圖2(a)和圖2(b)所示，假定篩選得到8個微慣性測量單元，且將其分為2組，每組 各包含4個微慣性測量單元，所述2組微慣性測量單元的陀螺ζ軸正向為相反方向，并且各組 微慣性測量單元分別為緊密排列且采用順時針排列，即微慣性測量單元的陀螺X軸正向彼 此間隔角度相同且根據(jù)中心點對稱設(shè)置。這樣做的好處在于通過篩選使得處于異面的微慣 性測量單元的陀螺ζ軸輸出中所包含的陀螺ζ軸零偏可以最大程度的相互抵消，在這種情況 下，即使沒有高精度轉(zhuǎn)臺進行陀螺標(biāo)定，也可以最大程度上保持航向角，從而改善導(dǎo)航定位 的精度。
[0085]以上描述了本發(fā)明的主要方面，下面以具體仿真試驗結(jié)果對本發(fā)明進行說明。
[0086] 圖3中給出仿真實驗中獲得一組篩選組合方案的結(jié)果對比圖，即溫度區(qū)間內(nèi)組合 式微慣性測量裝置的陀螺ζ軸輸出以及分別設(shè)置于安裝平臺的正面、背面的單個微慣性測 量單元的陀螺ζ軸角速度的對比圖。從圖3中的曲線①、③可以看出，對于單個微慣性測量單 元，其零偏隨溫度變化較大，且無規(guī)則，但是經(jīng)過對微慣性測量單元篩選之后，構(gòu)成組合式 微慣性測量裝置，由曲線②可以看出組合式微慣性測量裝置的零偏可以保持在較小的范圍 內(nèi)，受溫度影響較小，更加穩(wěn)定，易于對其進行補償。
[0087] 圖4為靜止條件下，組合式微慣性測量裝置隨時間變化的ζ軸姿態(tài)解算結(jié)果以及分 別設(shè)置于安裝平臺的正面、背面的單個微慣性測量單元的陀螺Z軸姿態(tài)解算結(jié)果對比圖。從 圖4中的曲線①、③可以看出，對于單個微慣性測量單元，靜止條件下，對陀螺Z軸姿態(tài)結(jié)算 結(jié)果(陀螺z軸角度)隨時間變化而變化較大，因此誤差也較大。但對于組合式微慣性測量裝 置，由曲線②可以看出，隨時間變化的陀螺z軸姿態(tài)結(jié)算結(jié)果明顯受誤差的影響更小，可以 實現(xiàn)更準(zhǔn)確的航向角測量。
[0088]以上對本發(fā)明的實施例進行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例， 不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng) 仍歸屬于本專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種微慣性測量單元篩選方法，其特征在于:所述篩選方法以組合式微慣性測量裝 置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線擬合方差最小為標(biāo)準(zhǔn)對微慣性測量單元進 行篩選，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸;所述組合式微慣性測量裝置包括安裝平臺和 至少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元，所述微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上;所 述篩選方法包括如下步驟： (1) 對待選的N個微慣性測量單元，采集并計算各個微慣性測量單元隨溫度變化的陀螺 第一單軸零偏數(shù)據(jù)，其中2; (2) 隨機選擇m個微慣性測量單元設(shè)置于安裝平臺上，得到Q個組合式微慣性測量裝置， 其中2<m<N; (3) 對每一個組合式微慣性測量裝置，計算各個微慣性測量單元的角速度測量坐標(biāo)系 與組合式微慣性測量裝置的角速度測量坐標(biāo)系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣； (4) 對每一個組合式微慣性測量裝置，根據(jù)各個微慣性測量單元隨溫度變化的陀螺第 一單軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣，計算組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的陀 螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)； (5) 對Q個組合式微慣性測量裝置，重復(fù)步驟2)至步驟4)，得到Q個組合式微慣性測量裝 置隨溫度變化的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)； (6) 對Q個組合式微慣性測量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線分別進 行擬合，并計算曲線的擬合方差； (7) 選擇Q個組合式微慣性測量裝置中曲線的擬合方差最小的組合式微慣性測量裝置 作為所需的組合式微慣性測量裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟（1)中，所 述陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)由同一溫度下所采集的多個數(shù)據(jù)取均值得到。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟(3)中，所 述角速度轉(zhuǎn)換矩陣通過多位置法得到，所述多位置法包括如下步驟： (1) 利用多位置法，改變組合式微慣性測量裝置的姿態(tài)，計算第i個微慣性測量單元在 不同姿態(tài)靜置時的加速度實際測量矩陣Y1; (2) 計算第i個微慣性測量單元在不同接觸面時的加速度理論測量矩陣X1; (3) 根據(jù)加速度實際測量矩陣YdP加速度理論測量矩陣X1，構(gòu)建組合式微慣性測量裝置 中第i個微慣性測量單元的加速度轉(zhuǎn)換模型如下： Yi ^R1Xi , 其中加速度轉(zhuǎn)換矩陣冗為其中以^，11^，1^,22為第1個微慣性測量單元的刻度系數(shù)，13^、1^^、1^,2分別為對應(yīng)零 偏，11^、!^^、11^、11^、1^,^、1^,^分別代表第：[個微慣性測量單兀測量坐標(biāo)系三軸間的非 正交誤差和安裝誤差系數(shù)； (4) 利用最小二乘法，即可求解得到加速度轉(zhuǎn)換矩陣即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣和為4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟(6)中，通 過最小二乘法擬合組合式微慣性測量裝置隨溫度變化的曲線。5. -種組合式微慣性測量裝置，其特征在于:包括安裝平臺和設(shè)置于安裝平臺上的至 少2個可測量三軸角速度的微慣性測量單元。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合式微慣性測量裝置，其特征在于:所述組合式微慣性測量 裝置分為設(shè)置于安裝平臺的正面和背面的2組微慣性測量單元。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組合式微慣性測量裝置，其特征在于:所述微慣性測量單 元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或z軸。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合式微慣性測量裝置，其特征在于:所述設(shè)置于安裝平臺的 正面和背面的2組微慣性測量單元分別包括至少2個微慣性測量單元，所述2組微慣性測量 單元的陀螺第一單軸正向為相反方向，各組中的微慣性測量單元緊密排列且根據(jù)中心點對 稱設(shè)置，各組中的微慣性測量單元的除陀螺第一單軸之外的各軸的正向彼此間隔角度相 同。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的組合式微慣性測量裝置，其特征在于:所述設(shè)置于安裝平臺的 正面和背面的2組微慣性測量單元具有相同數(shù)量的微慣性測量單元。10. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組合式微慣性測量裝置，其特征在于，所述組合式微慣性 測量裝置包括4個或8個微慣性測量單元。
【文檔編號】G01C21/18GK106017470SQ201610311875
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黎兵
【申請人】湖南格納微信息科技有限公司