[发明专利]一种低成本组合型陀螺仪

权利要求书

1.一种组合型陀螺仪，其特征在于，所述组合型陀螺仪包括：n个陀螺数据采集及预处理单元和1个数据融合单元；其中陀螺数据采集及预处理单元记为陀螺单元N_i(i＝1，2，...n)，包括同种类的MEMS陀螺mi(i＝1，2，...n)个和数据处理模块Wi(i＝1，2，...n)；每个陀螺单元中的陀螺输出误差模型相同，各个陀螺单元的陀螺输出误差模型不同；所述数据处理模块Wi用于对mi个陀螺的输出数据进行预处理，以提高陀螺单元的输出精度；所述数据融合单元用于对所述n个数据处理单元的输出进行数据融合；其中n是自然数，且n≥2；数据融合单元可以估计并补偿每种陀螺的输出误差，从而大大提高陀螺的输出精度。

2.如权利要求1所述的组合型陀螺仪，其特征在于，所述陀螺数据采集及预处理单元(简称：陀螺单元)的个数n-3，且每个陀螺单元中的陀螺个数相同，即m1-m2＝m3＝M。其中，N1类陀螺常值零偏误差较小，其他误差相对较大；N2类陀螺的刻度系数误差较小，其他误差相对较大；N3类陀螺的零偏温度敏感漂移较小，其他误差相对较大，这3×M个MEMS陀螺安装在同一个测量平台上，通过标定使得这3×M个陀螺仪的敏感轴方向一致，当外部输入一个角速度ω时，每个陀螺仪都有个含较大误差的角速度输出值，通过相应的陀螺数据预处理方法及数据融合方法，便可以得到一个较高精度的角速度测量值ω_out。

3.如权利要求2所述的组合型陀螺仪，其特征在于，所述数据预处理及数据融合方法的实现步骤如下：

第一步，陀螺单元N1中M个陀螺的角速度输出值为ω_1，1，ω_1，M，经数据处理模块W1得到角速度ω₁，其计算公式是：

ω1=1MΣi=1Mω1,i]]>式1

陀螺单元N2中M个陀螺的角速度输出值为ω_2，1，ω_2，M，经数据处理模块W2得到角速度ω₂，其计算公式是：

ω2=1MΣi=1Mω2,i]]>式2

陀螺单元N 3中M个陀螺的角速度输出值为ω_3，1，ω_3，M，经数据处理模块W3得到角速度ω₃，其计算公式是：

ω3=1MΣi=1Mω3,i]]>式3

第二步，数据融合单元对三个陀螺单元的角速度输出值ω₁，ω₂，ω₃进行融合，其中N1，N2，N3三种陀螺仪的输出模型可分别用式4、5、6表示：

ω₁＝ω_in+(aT²+bT)+Δk¹ω_in       式4

ω₂＝ω_in+(cT²+dT)+ω_0，2         式5

ω₃＝ω_in+Δk³ω_in+ω_0，3         式6

其中，N1陀螺仪的零偏较小，可以忽略，只需考虑零偏温度误差及刻度系数误差，ω_in为外部输入角速度；T表示陀螺所处的环境温度；a，b表示N1陀螺的零偏温度误差系数；aT²+bT表示N1陀螺的零偏温度敏感误差；c，d表示N2陀螺的零偏温度误差系数；cT²+dT表示N2陀螺的零偏温度误差；Δk¹，Δk³分别表示N1陀螺和N3陀螺的刻度系数误差；ω_0，2，ω_0，3分别表示N2陀螺和N3陀螺的常值零偏误差。

所述误差系数a，b，c，d，Δk¹，Δk³，ω_0，2，ω_0，3估计方法如下：

(1)把式5中N2陀螺的输出值ω₂代入式4，可得：

ω₁＝ω₂+(a-c)T²+(b-d)T+Δk¹ω_in-(Δk¹cT²+Δk¹dT)-Δk¹ω_0，2-ω_0，2

式7

上式7中，由于Δk¹，c，d，ω_0，2均为误差量，即一阶小量；因此，Δk¹，Δk¹d，Δk¹ω_0，2均为二阶小量，可以忽略不计，因此，式7可以用式8来简化：

ω₁＝ω₂+(a-c)T²+(b-d)T+Δk¹ω₂-ω_0，2     式8

把式8写成矩阵形式可表示为：

a-cb-dΔk1ω0,2=T2Tω2-1-×ω1]]>式9

上式9中，[T²Tω₂-1]^-表示向量[T² Tω₂-1]的减号逆，即：最小二乘逆。

在陀螺工作过程中，陀螺单元实时采样陀螺内部的温度传感器输出的温度信号T_i及陀螺N 2的角速度输出信号ω_2，i，利用递推最小二乘方法可以估计得到N 1类陀螺在本次上电后的误差系数a-c，b-d，Δk¹，ω_0，2

a-cb-dΔk1ω0,2=T12T1ω2,1-1T22T2ω2,2-1MMM-1Tn2Tnω2,n-1-×ω1,1ω1,2Mω1,n]]>式10

(2)把式5中N 2陀螺的输出值ω₂代入式6并忽略二阶小量，可得：

ω₃＝ω₂-cT²-dT+Δk³ω₂+ω_0，3-ω_0，2       式11

把式11写成矩阵形式可表示为：

cdΔk3ω0,3-ω0,2=-T2-Tω2-1-×ω3]]>式12

上式12中，[-T² -Tω₂1]^-表示向量[-T²-Tω₂1]的减号逆，即：最小二乘逆。

在陀螺工作过程中，实时采样陀螺内部温度传感器输出的温度信号T_i及陀螺N 3的角速度输出信号ω_3，i，利用递推最小二乘方法可以估计得到N 2陀螺在本次上电后的误差系数c，d，Δk³，ω_0，3-ω_0，2

cdΔk3ω0,3-ω0,2=-T12-T1-ω2,11-T22-T2-ω2,21MMM1-Tn2-Tn-ω2,n1×ω3,1ω3,2Mω3,n]]>式13

(3)结合式10和式13的处理结果，可以得到N1、N2、N3陀螺的全部误差系数a，b，c，d，Δk¹，Δk³，ω_0，2，ω_0，3；

(4)数据融合后，组合型陀螺仪的最终输出结果ω_out可表示为：

ωout=13×(ω1+ω2+ω3-aT2-bT-cT2-dT-Δk1ω1-Δk3ω3-ω0,2-ω0,3)]]>

式14