[发明专利]一种MEMS三轴陀螺仪误差标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS三轴陀螺仪的误差标定方法，属于试验技术领域。

背景技术

MEMS陀螺仪是一类应用MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）技术制成的测量运动物体角速率的惯性测量单元，因其具有体积小、重量轻、成本低以及可靠性高等优点，从而推动微捷联惯导系统的迅速发展，在无人机以及精确制导武器领域获得广泛的研究。但这类MEMS陀螺仪容易受自身材料、制造水平以及工作环境等一系列因素的影响，性能普遍不高。一般来讲，陀螺的误差主要分为确定性误差及随机误差，前者主要指由扰动（敏感物理模型中的参数变化）和环境敏感（敏感环境的干扰）引起的误差，后者主要指由不确定因素引起的随机漂移，其中确定性误差是微捷联惯导系统最主要的误差源。因此微捷联惯导在使用之前必须通过标定实验确定出MEMS陀螺仪的各项误差系数，以在微捷联惯导系统中对其进行补偿。

传统的标定方法包括静态多位置方法和角速率试验，如先用角速率试验分离出标度因数和安装误差系数，然后进行8位置试验，标出陀螺误差系数中的常数项及与加速度一次方有关的误差项。如果精度要求较高，需辨识全部的误差系数，则需要增加试验的位置数，可以采用24位置、36位置、48位置等。这种“位置+速率”标定方法需要精确的北向基准和很高的定位精度和调平精度，这些要求要靠高精度的寻北仪器和水平测量仪器才能实现。而且MEMS惯性器件和系统在标定时存在的两个突出矛盾是失准角大和测量噪声大，陀螺根本无法敏感地球的自转角速率，以当地的地球自转角速率矢量为参考基准标定安装误差比较困难。现有方法通过建立陀螺标度因数与输入轴失准角之间的耦合关系数学模型，同时设计一种专用解耦测试设备，然后应用带约束条件的非线性最小二乘法实现解耦，计算出IMU误差模型参数，但这种方法需要额外的解耦设备，增加了标定设备的复杂度。此外可以通过在三轴速率转台的正交三轴上同时施加独立的匀角速度输入，经过坐标变换，使得陀螺坐标系各轴敏感到的角速度分量为正弦形式的交变角速度，从而能激发出陀螺仪所有动态误差系数。但这种方法误差分离技术较难，标定解算工作量大，且MEMS陀螺仪的陀螺零偏常值漂移较大，导致标定角度较低，不适合MEMS陀螺仪的标定。还有一种通过建立标定模型、采用卡尔曼滤波方法估计出误差模型的最优值从而提供标定精度的方法，但这种方法计算量大，模型建立复杂，标定时间较长。

发明内容

本发明的目的是为克服现有MEMS三轴陀螺仪标定技术的不足，提供一种MEMS三轴陀螺仪误差标定方法，能获得MEMS三轴陀螺仪的常值误差、刻度因子误差以及三轴非正交误差共9个误差系数。

一种MEMS陀螺仪误差标定方法，具体通过以下步骤实现：

步骤一，建立MEMS陀螺仪的误差校正矩阵：

ω=K(ω~-ωo)]]>

式中ω表示MEMS陀螺仪的理想输出，表示MEMS陀螺仪的实际输出值，K表示MEMS陀螺仪的误差校正系数矩阵，ω_o表示MEMS三轴陀螺仪的常值误差。

建立三轴MEMS陀螺仪的非正交误差角坐标系，以三轴MEMS陀螺仪中心为原点，以理想正交模型中三轴陀螺仪的矢量指向为X、Y、Z轴；以实际磁传感器三轴的指向表示X₁、Y₁、Z₁轴。设定Z₁轴与正交模型中的Z轴重合，且Y₁OZ₁面与YOZ面重合；α为Y₁轴在Y₁OZ₁面与Y轴的夹角；β为X₁轴在XOY面的投影与X轴的夹角；γ为X₁轴与XOY面的夹角。

误差校正矩阵的矩阵形式表示为：