六阵列MEMSIMUs单位置现场快速标定方法与流程

六阵列mems imus单位置现场快速标定方法
技术领域
1.本发明涉及智能系统导航及测量领域，尤其涉及一种六阵列mems imus单位置现场快速标定方法


背景技术：

2.惯性微系统(micro inertial measurement unit，mems imu)具有体积小、成本低、功耗低等特点,被广泛应用于车载导航、移动终端、航空航天、机器人等相关领域。mems imu的主要误差源包括系统误差与随机误差，其中系统误差占据总误差的90％以上。因此，在使用mems imu之前必须通过标定技术补偿系统误差。
3.传统的标定方法是在实验室内通过转台完成，高精度的转台能够提供精密的方位基准和水平基准，完成零偏、比例因子和交轴耦合误差的标定。一般情况下，imu在出厂前已经完成基于转台的系统标定，标定完成后的交轴耦合误差稳定性较好，但是零偏和比例因子参数稳定性较差，随着出厂时间的延长，零偏和比例因子保持能力较差，因此mems imu在出厂后需要定期进行重新标定。现场在线标定技术是用户可独立进行标定的一种简易有效的方法，该方法通过静止时加速度计和当地重力相等构建加速度计误差模型，通过顺/逆时针等时快速旋转抵消构建陀螺仪模型，然后基于最小二乘法求解模型参数，获取零偏、比例因子及交轴耦合误差参数。为了求解加速度计误差参数，每个轴需要竖直朝上(下)各一次，因此至少需要6个位置下采集静态数据(陀螺仪类似)，即6位置标定法。为了避免出现病态解算结果，提高解算精度，12位置标定法、18位置标定法等更多位置的标定法被提出用来提高解算的鲁棒性和精度。研究表明多位置现场标定方法能够有效地的标定出imu的零偏、标度因数以及交轴耦合误差，简化了传统转台标定的复杂程序，大大降低了标定成本。然而，随着应用的深入，多位置在线标定法的缺陷也逐渐暴露出来，多位置标定法由于没有精密的方位基准和水平基准，需要手动将imu转换到下一位置，而各位置之间具有明确的相对关系，手动转换过程无疑给误差模型增添了新误差。另外，位置越多，所需要标定的时间越长，多位置标定法越来越不能满足在线导航、测量的应用需求。
4.本发明设计了一种6阵列mems imu(每个imu精度相同)标定方法，6个imu的位置对应6位置标定法中的mems imu的6个位置，因此无需调整位置即可建立mems imu误差补偿模型，完成零偏、标度因子和交轴耦合误差的一次性标定。不仅大幅度缩减了在线标定的时长，而且避免了传统在线标定手动调整位置过程中产生的误差，从而提高标定的精度与效率。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种六阵列mems imus单位置现场快速标定方法，包括：
6.(1)设计六阵列mems imus；
7.(2)采集静态和动态数据；
8.(3)建立加速度误差补偿模型；
9.(4)建立陀螺误差补偿模型；
10.(5)基于最小二乘法解算误差补偿模型。
11.在其中一个实施例中，六阵列imu设计方法包括：
12.使用6个精度相同的imu构建1个imu阵列，6个imu分别贴置于一个精密立方体的三面上(编号为a,b,c)，每一面的内外面均贴置一个imu(内面编号为1，外面编号为2)，两两相对。6个imu编号分别为a1，a2，b1，b2，c1，c2。
13.在其中一个实施例中，该六阵列imu设计方法还包括：
14.a1的z轴竖直向上，a2的z轴竖直向下，a1和a2的y轴指向同一方向，x轴指向不同方向；b1的x轴竖直向上，b2的x轴竖直向下，b1和b2的y轴指向同一方向，z轴指向不同方向；c1的y轴竖直向上，c2的y轴竖直向下，c1和c2的x轴指向同一方向，z轴指向不同方向。
15.在其中一个实施例中，获取六阵列mems imus静止和旋转时的量测值的步骤包括：
16.静止t1秒后将六阵列mems imus沿着a面z轴顺时针快速旋转一周，旋转后保持t2秒的静止状态，再沿着a面z轴逆时针快速旋转一周，旋转后保持t3秒的静止状态，并最终回到初始状态；六阵列mems imus静止和旋转时，分别采集预订时长的加速度数据，并只取轴线竖直向上或下的最大加速度数据，即a面的z轴、b面的x轴和c面的y轴。
17.在其中一个实施例中，步骤(3)所述加速度计误差补偿模型包括：
[0018][0019]
式中，
[0020]
为加速度计实际输出值，f为加速度计理想输出值，s为加速度计比例因子误差矩阵，n为加速度计交轴耦合误差矩阵，v为加速度计噪声矢量,在进行imu系统标定时，噪声可以忽略不计。
[0021]
将上式写作矩阵形式：
[0022][0023]
上式可以合并为以下形式：
[0024][0025]
上式可简化为：
[0026][0027]
每个imu的理想输出为：
[0028][0029]
6轴imu的加速度计输出模型可以写作如下形式：
[0030][0031]
令
[0032][0033][0034]
则上式可简写为：
[0035]
l＝ma
[0036]
m矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，可用最小二乘求解m。根据最小二乘求解方法，可获取m的最优估计为：
[0037][0038]
代入量测向量l和量测矩阵a，最终获取加速度计的零偏、比例因子以及交轴耦合误差因子。
[0039]
在其中一个实施例中，步骤(4)陀螺仪误差补偿模型包括：
[0040][0041]
式中，
[0042]
为陀螺实际输出值，ω为陀螺理想输出值，b
ω
为陀螺零偏，s为陀螺比例因子误差矩阵，n为陀螺交轴耦合误差矩阵，v为陀螺传感器噪声矢量。
[0043][0044]
陀螺与加速度计建模方式类似：
[0045][0046]
上式可简化为：
[0047][0048]
每个imu的加速度计理想输出为：
[0049][0050]
6轴imu的加速度计输出模型可以写作如下形式：
[0051][0052]
令
[0053][0054]
[0055]
则上式可简写为：
[0056]
l＝ma
[0057]
m矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，可用最小二乘求解m。根据最小二乘求解方法，可获取m的最优估计为：
[0058][0059]
代入量测向量l和量测矩阵a，最终获取陀螺仪的零偏、比例因子以及交轴耦合误差因子。
[0060]
有益效果：本技术涉及一种六阵列mems imus单位置现场快速标定方法，该方法包括：采用6个精度相同的imu构建1个imus阵列，6个imu分别贴置于一个精密立方体的三面上，每面两两相对；6个imu坐标轴对应6个方位(上下、前后、左右)，即6位置标定法中的imu的6个位置；通过静态和动态旋转获取量测值，建立加速度和陀螺仪误差模型；基于最小二乘法实现mems imu零偏、比例因子以及交轴耦合误差的快速标定。利用本发明提供的方法，不仅大幅度缩减了在线标定的时长，一次性便可完成标定，而且避免了传统在线标定手动调整位置过程中产生的误差，从而提高标定的精度与效率。传统的六位置标定模型建立需要6次标定，建立6个方程，而本发明所提方法只需1次标定即可建立联合方程。
附图说明
[0061]
图1为一个实施例中六阵列mems imuss硬件设计模型的外侧图；
[0062]
图2为一个实施例中六阵列mems imuss硬件设计模型的内侧图。
具体实施方式
[0063]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0064]
本技术提出一种六阵列imu单位置现场快速标定方法，包括以下步骤：
[0065]
步骤s101、使用6个精度相同的imu构建1个imu阵列，6个imu分别贴置于一个精密立方体的三面上(编号为a,b,c)，每一面的内外面均贴置一个imu(内面编号为1，外面编号为2)，两两相对。6个imu编号分别为a1，a2，b1，b2，c1，c2。
[0066]
步骤s102、6个imu的摆放方式如下：a1的z轴竖直向上，a2的z轴竖直向下，a1和a2的y轴指向同一方向，x轴指向不同方向；b1的x轴竖直向上，b2的x轴竖直向下，b1和b2的y轴指向同一方向，z轴指向不同方向；c1的y轴竖直向上，c2的y轴竖直向下，c1和c2的x轴指向同一方向，z轴指向不同方向。
[0067]
步骤s103、采集静态数据。在s2所描述的摆放方式下开展静态数据采集，采集预订时长的一组加速度数据。其中，只取轴线竖直向上(下)的最大加速度数据，即a面的z轴、b面的x轴和c面的y轴。
[0068]
步骤s104、采集动态数据。在s2所描述的摆放方式下开始动态数据采集，静止t1秒后沿着a面z轴顺时针快速旋转一周，旋转后保持t2秒的静止状态，再沿着a面z轴逆时针快速旋转一周，旋转后保持t3秒的静止状态，并最终回到初始状态。
[0069]
步骤s105、建立加速度计误差补偿模型。
[0070][0071]
式中，
[0072]
为加速度计实际输出值，f为加速度计理想输出值，s为加速度计比例因子误差矩阵，n为加速度计交轴耦合误差矩阵，v为加速度计噪声矢量，在进行imu系统标定时，噪声可以忽略不计。
[0073]
将上式写作矩阵形式：
[0074][0075]
上式可以合并为以下形式：
[0076][0077]
上式可简化为：
[0078][0079]
每个imu的理想输出为：
[0080][0081]
6轴imu的加速度计输出模型可以写作如下形式：
[0082][0083]
令
[0084][0085][0086]
则上式可简写为：
[0087]
l＝ma
[0088]
m矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，可用最小二乘求解m。根据最小二乘求解方法，可获取m的最优估计为：
[0089][0090]
代入量测向量l和量测矩阵a，最终获取加速度计的零偏、比例因子以及交轴耦合误差因子。
[0091]
步骤s106、建立陀螺仪误差补偿模型：
[0092][0093]
式中，
[0094]
为陀螺实际输出值，ω为陀螺理想输出值，b
ω
为陀螺零偏，s为陀螺比例因子误差矩阵，n为陀螺交轴耦合误差矩阵，v为陀螺传感器噪声矢量。
[0095][0096]
陀螺与加速度计建模方式类似：
[0097][0098]
上式可简化为：
[0099][0100]
每个imu的加速度计理想输出为：
[0101][0102]
6轴imu的加速度计输出模型可以写作如下形式：
[0103][0104]
令
[0105][0106][0107]
则上式可简写为：
[0108]
l＝ma
[0109]
m矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，可用最小二乘求解m。根据最小二乘求解方法，可获取m的最优估计为：
[0110][0111]
代入量测向量l和量测矩阵a，最终获取陀螺仪的零偏、比例因子以及交轴耦合误差因子。

技术特征：
1.一种六阵列memsimus单位置现场快速标定方法，其特征在于，所述方法包括：采用6个精度相同的imu构建1个imus阵列，6个imu分别贴置于一个精密立方体的三面上，每面两两相对；6个imu坐标轴对应上、下、前、后、左、右6个方位；获取六阵列memsimus静止和旋转时的量测值，建立加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型；基于最小二乘法解算加速度计误差补偿模型和陀螺仪误差补偿模型，实现mems imu零偏、比例因子以及交轴耦合误差的快速标定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述六阵列memsimus的设计方法包括：使用6个精度相同的imu构建1个imu阵列，6个imu分别贴置于一个精密立方体的三面上，编号为a,b,c，每一面的内外面均贴置一个imu，内面编号为1，外面编号为2，两两相对，6个imu编号分别为a1，a2，b1，b2，c1，c2；6个imu的坐标系及摆放方式分别定义如下：a1的z轴竖直向上，a2的z轴竖直向下，a1和a2的y轴指向同一方向，x轴指向不同方向；b1的x轴竖直向上，b2的x轴竖直向下，b1和b2的y轴指向同一方向，z轴指向不同方向；c1的y轴竖直向上，c2的y轴竖直向下，c1和c2的x轴指向同一方向，z轴指向不同方向。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取六阵列memsimus静止和旋转时的量测值的步骤如下：静止t1秒后将六阵列memsimus沿着a面z轴顺时针快速旋转一周，旋转后保持t2秒的静止状态，再沿着a面z轴逆时针快速旋转一周，旋转后保持t3秒的静止状态，并最终回到初始状态；六阵列memsimus静止和旋转时，分别采集预订时长的加速度数据，并只取轴线竖直向上或下的最大加速度数据，即a面的z轴、b面的x轴和c面的y轴。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度计误差补偿模型包括：式中，为加速度计实际输出值，f为加速度计理想输出值，s为加速度计比例因子误差矩阵，n为加速度计交轴耦合误差矩阵，v为加速度计噪声矢量；在进行imu系统标定时，噪声忽略不计；将上式写作矩阵形式：将上式合并为以下形式：将上式简化为：每个imu的理想输出为：
6轴imu的加速度计输出模型写作如下形式：令令则上式简写为：l＝mam矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，用最小二乘求解m；根据最小二乘求解方法，获取m的最优估计为：代入量测向量l和量测矩阵a，最终获取加速度计的零偏、比例因子以及交轴耦合误差因子。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陀螺仪误差补偿模型包括：式中，为陀螺实际输出值，ω为陀螺理想输出值，bω为陀螺零偏，s为陀螺比例因子误差矩阵，n为陀螺交轴耦合误差矩阵，v为陀螺传感器噪声矢量；陀螺与加速度计建模方式类似：将上式简化为：每个imu的加速度计理想输出为：6轴imu的加速度计输出模型写作如下形式：
令令则上式简写为：l＝mam矩阵中包含12个代估参数，共18个方程，用最小二乘求解m，根据最小二乘求解方法，获取m的最优估计为：

技术总结
本发明提供一种六阵列MEMS IMUs单位置现场快速标定方法，该方法包括：采用6个精度相同的IMU构建1个IMUs阵列，6个IMU分别贴置于一个精密立方体的三面上，每面两两相对；6个IMU坐标轴对应6个方位(上下、前后、左右)，即6位置标定法中的IMU的6个位置；通过静态和动态旋转获取量测值，建立加速度和陀螺仪误差模型；基于最小二乘法实现MEMS IMU零偏、比例因子以及交轴耦合误差的快速标定。利用本发明提供的方法，不仅大幅度缩减了在线标定的时长，一次性便可完成标定，而且避免了传统在线标定手动调整位置过程中产生的误差，从而提高标定的精度与效率。传统的六位置标定模型建立需要6次标定，建立6个方程，而本发明所提方法只需1次标定即可建立联合方程。定即可建立联合方程。定即可建立联合方程。


技术研发人员：李昕 柳絮 吕婧 王永杰
受保护的技术使用者：徐州菁日智能科技有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/8/24