[发明专利]一种MIMU中MEMS陀螺仪的误差标定补偿方法

摘要

本发明公开了一种MIMU中MEMS陀螺仪的误差标定补偿方法，该方法使用了一种新的MEMS陀螺仪误差模型。本发明使得在现有设备（一带温箱、单轴可360°旋转的转台及一不带温箱、双轴可360°旋转的转台）的情况下，也能够完成对MEMS陀螺的非正交误差和温度误差标定，而且不引入二次安装误差，保证标定的精度，克服标定设备的限制，很好地补偿非正交误差和温度漂移误差，在全温范围内MEMS陀螺输出最大误差仅为0.2°/s，三轴误差也一致。

主权项

一种MIMU中MEMS陀螺仪的误差标定补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在采用MEMS陀螺仪作为惯性测量元件的惯性导航系统中采用MEMS陀螺仪误差模型，所述的陀螺仪误差模型的表达式如下： N x - σ x N y - σ y N z - σ z = k x k xy k xz k yx k y k yz k zx k zy k z · E x E y E z + D x D y D z + t xx t xy t xz t yx t yy t yz t zx t zy t zz · a x a y a z - - - ( 1 ) 式中，Ni为MEMS陀螺仪三轴的实际输出，Ei为陀螺仪三敏感轴的输入角速度，σi是当前温度下MEMS陀螺仪的输出与常温时同一位置下陀螺仪的三轴输出之差，其值与当前温度和陀螺仪的输出相关呈一次关系，在常温时均为零；ki为常温时陀螺仪的标度因数在三轴上的分量，Di为常温时陀螺仪的零偏在三轴上的分量，ai是敏感轴的输入加速度在三轴上的分量，kij为陀螺仪的非正交误差项在i轴向上与j轴分量相关的系数，tij为与加速度相关的误差系数在i轴向上与j轴分量相关的系数，上述参数中i＝x,y,z;j＝x,y,z；根据式（1）采用温度分段的形式，在每一温度区间建立如下的MEMS陀螺仪误差模型： N x - ( a x · N x + b x ) N y - ( a y · N y + b y ) N z - ( a z · N z + b z ) = k x k xy k xz k yx k y k yz k zx k zy k z · E x E y E z + D x D y D z + t xx t xy t xz t yx t yy t yz t zx t zy t zz · a x a y a z - - - ( 2 ) 其中，ax、ay、az、bx、by、bz为待测系数，在常温时全部为零；步骤二、根据各轴陀螺仪的实际输出特性对其温度进行分段，划分出的每一个温度段内陀螺仪的输出随温度的变化不超过0.2°/S；步骤三、根据步骤一建立的MEMS陀螺仪的误差模型，采用静态六位置法在不带温箱、双轴可360°旋转的转台上一次装夹系统进行试验，获取常温时陀螺仪的零偏在三轴上的分量Di和与加速度相关的误差系数在i轴向上与j轴分量相关的系数tij，共计12项参数，具体为：通过重力加速度对参数进行激励，控制转台使得三轴的重力加速度输入为0、±1/2g和±g，采集此时陀螺仪的静态输出，取输出均值作为常温温度段MEMS陀螺仪的输出，此时，式（2）中ax、ay、 az、bx、by、bz以及Ex、Ey、Ez均为零，通过矩阵计算得出Di和tij；步骤四、不改变MIMU在转台上的装夹位置，进行MEMS陀螺仪标度因数和非正交误差项的标定试验，具体为：采用各轴正反匀速旋转的方法，控制转台使得各轴的输入角速度为±ω°/S，ω的取值为陀螺仪量程的80%‑90%，采集此时陀螺仪的输出，取输出均值作为MEMS陀螺仪的输出，此时，式（2）中ax、ay、az、bx、by、bz均为零，通过矩阵计算得出常温时陀螺仪的标度因数在三轴上的分量ki和陀螺仪的非正交误差项在i轴向上与j轴分量相关的系数kij，共计9项参数；步骤五、在带有温箱、仅单轴可360°旋转的转台上进行各轴陀螺仪的温度标定，通过控制转台及调整MIMU的安装方式使得MEMS陀螺仪敏感轴输入分别为0、±1/2ω°/S和±ω°/S，共需要进行12个转动，在每一个转动下进行一次高低温试验，采集MEMS陀螺仪的输出，每轴的陀螺仪得到5组数据；根据步骤二所分温度区间选取各段内陀螺仪在输入为0，±1/2ω°/S和±ω°/S时的输出，求出每个温度区间内MEMS陀螺仪输出的平均值，每组数据取常温温度所在区间的输出作为参考，与其余温度段陀螺仪的输出均值作差，得到误差σi，每轴的MEMS陀螺仪在单个温度区间都可以得到五条不同角速度下的误差曲线，在每一个温度段，对不同输出角速度下的误差在matlab软件中进行一次拟合，得到式（2）中的ax、ay、az、bx、by、bz，每轴陀螺仪在每个温度段都将得出一组温度拟合参数；步骤六、将上述得到的温度拟合参数和步骤三、步骤四得到的常温下的参数载入系统，在补偿时，首先根据此时的温度确定所在温度段，选取相对应的拟合参数，然后通过下述的矩阵式对陀螺仪的输出进行修正，得到实际的陀螺仪敏感轴的输入角速度Ei，此时式中的三个敏感轴的实际加速度需要用当前加速度计的输出作为近似带入： E x E y E z = k x k xy k xz k yx k y k yz k zx k zy k z - 1 · ( N x - ( a x · N x + b x ) N y - ( a y · N y + b y ) N z - ( a z · N z + b z ) - D x D y D z - t xx t xy t xz t yx t yy t yz t zx t zy t zz · a x a y a z ) ; 最终完成MEMS陀螺仪的误差标定补偿。