本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航慣性傳感器誤差標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種慣性傳感器的測量標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

在微型無人機(jī)飛行系統(tǒng)中，慣性傳感器是飛行品質(zhì)非常重要的因素和保證，但一般無人機(jī)的慣性傳感器系統(tǒng)標(biāo)定都是在靜態(tài)下完成的，且只對原始數(shù)據(jù)求平均值，靜態(tài)的偏差量作為慣性傳感器的零偏漂移量，但因所處位置不同，地球重力加速度也不同，并隨著時(shí)間累積，測量值也會(huì)有很大偏移量，如果應(yīng)用在無人機(jī)系統(tǒng)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等配備慣性傳感器的裝置上，測量上會(huì)差生較大的誤差，同時(shí)造成不可挽回的損失。

相關(guān)試驗(yàn)表明，隨著時(shí)間推移和環(huán)境變化，微慣性測量組合中慣性器件的安裝誤差不會(huì)變化，但是慣性器件自身的性能參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。其中慣性器件的零偏漂移表現(xiàn)尤為明顯，每次上電工作時(shí)都會(huì)有所不同，并且隨著時(shí)間的推移變化會(huì)不斷加劇。眾所周知，加速度計(jì)和陀螺儀的零偏對導(dǎo)航和定位的誤差影響分別按時(shí)間的二次和三次方增長。由此可見，微慣性測量組合試驗(yàn)室準(zhǔn)確標(biāo)定參數(shù)如果應(yīng)用于后期的實(shí)際測試當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，降低微慣性測量組合的測試精度。因此微慣性測量組合，特別是應(yīng)用于火箭彈、炮彈等常規(guī)武器裝備的微慣性測量組合，需要在短期內(nèi)具有較高的精度，急需一種能夠在微慣性測量組合使用前現(xiàn)場快速準(zhǔn)確標(biāo)定的方法。

目前，傳統(tǒng)的微慣性測量組合標(biāo)定方法往往需要精密試驗(yàn)設(shè)備提供方向基準(zhǔn)和位置基準(zhǔn)。離開這些精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備就直接導(dǎo)致微慣性測量組合在實(shí)際使用前很難有條件進(jìn)行現(xiàn)場準(zhǔn)確標(biāo)定，只能進(jìn)行現(xiàn)場簡易標(biāo)定。而簡易標(biāo)定往往由于缺乏方向和位置基準(zhǔn)，以加速度計(jì)零偏標(biāo)定為例，僅僅是尋找兩個(gè)完全對稱位置對于系統(tǒng)的使用者來說就難以做到?？偠灾?，現(xiàn)有的微慣性測量組合標(biāo)定方法依賴實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)，精度低，難以滿足微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的需求。

目前，缺乏一種精度高的慣性傳感器的測量標(biāo)定方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種精度高的慣性傳感器的測量標(biāo)定方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：本發(fā)明一種慣性傳感器的測量標(biāo)定方法，包括如下步驟：

(1)建立東北天坐標(biāo)系，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，同時(shí)對基本的標(biāo)定模型進(jìn)行重力的偏移補(bǔ)償；

(2)依靠控制器設(shè)計(jì)慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其按照球體的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)采集球體上x軸，y軸，z軸的電壓數(shù)據(jù)；并對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，剔除一些因設(shè)備因其的無效數(shù)據(jù)；

(3)建立橢圓曲面的方程，檢測到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行正交多項(xiàng)式的參數(shù)擬合，將最佳的橢球方程擬合標(biāo)定模型參數(shù)，然后對慣性傳感器模型的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，使得慣性傳感器測量坐標(biāo)的點(diǎn)與擬合后橢球曲線上相應(yīng)點(diǎn)之間的距離平方和最??；

(4)將擬合的橢球曲面方程進(jìn)行正交變換法二次標(biāo)準(zhǔn)型分解，先得到特征方程和它對應(yīng)的特征向量；然后計(jì)算所提到的慣性傳感器所有的未確定參數(shù)，并將參數(shù)帶入方程去驗(yàn)證，完成慣性傳感器標(biāo)定的輸出參數(shù)；

(5)根據(jù)慣性傳感器的輸出標(biāo)定，對該慣性傳感器標(biāo)定的輸出參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

進(jìn)一步地，在步驟(1)中，通過fpga控制器設(shè)計(jì)的ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，

建立坐標(biāo)系，對當(dāng)前點(diǎn)重力加速度的測量：依據(jù)東北天坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)為0，坐標(biāo)系x軸為慣性傳感器的正前方，坐標(biāo)系y軸為慣性傳感器前進(jìn)方向垂直向右，坐標(biāo)系z軸為xoy平面的垂線方向向上，同時(shí)測量當(dāng)前點(diǎn)的重力加速度，通過設(shè)計(jì)fpga控制器設(shè)計(jì)的ad9845采用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其測量10次，求解平均數(shù)，如公式(1)所示，

在公式(1)中，g0為其重力加速度進(jìn)行10測量電壓的平均值，gi為每次測量電壓量，同時(shí)當(dāng)某個(gè)測量電壓與平均值相差大于預(yù)值時(shí)，剔除當(dāng)前測量電壓；如公式(2)和公式(3)所示，

g＝gδ+g0(3)，

在公式(2)(3)中，gδ為其重力加速度進(jìn)行10測量電壓的方差值，gi為每次測量電壓量，g為得到標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度值。

進(jìn)一步地，在步驟(1)和步驟(2)中，所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器或inemo-m1慣性傳感器；所述控制器為fpga控制器、dsp控制器或arm控制器。

進(jìn)一步地，在步驟(2)中，所述ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置隨機(jī)采集在該測量慣性傳感器的輸出的電壓值，并通過fpga控制器設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使其運(yùn)動(dòng)軌跡盡量覆蓋擬合橢球在三維空間范圍分布，得到一系列不同狀態(tài)下慣性傳感器的輸出電壓值，如公式(4)所示，

ui＝(ux,i,uy,i,uz,i)^ti＝(1,2,3…n)(4)。

更進(jìn)一步地，在步驟(3)中，建立橢圓曲面數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，利用正交多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行參數(shù)擬合：建立橢球曲面的方程式，如公式(5)所示，

f(ξ,t)＝ξ^tt＝ax²+by²+cz²+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+l＝0(5)，

在公式(5)中，x,y,z為步驟(1)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t為橢球曲面方程系數(shù)，也稱為擬合參數(shù)向量，t＝[x²,y²,z²,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]^t為測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系向量組合，f(ξ,t)為坐標(biāo)系(x,y,z)到該橢球f(ξ,t)＝0對應(yīng)的距離值，并對參數(shù)進(jìn)行擬合正交多項(xiàng)式的參數(shù)擬合，求解出ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t所有參數(shù)。

進(jìn)一步地，在步驟(4)中，對所述橢球曲面方程，如公式(6)所示，

(λ-λ0)^tq(λ-λ0)＝1(6)，

在公式(6)中，表示與橢球半軸參數(shù)及慣性傳感器單元旋轉(zhuǎn)某

一角度時(shí)相關(guān)的橢球曲面矩陣；為橢球曲面的坐標(biāo)原點(diǎn)；

對公示(7)進(jìn)行變形，推導(dǎo)如下：

公式(7)中，設(shè)定利用公式(7)與公式(8)進(jìn)行參數(shù)匹配，得到方程式

在公式(9)中，求解出橢圓曲面特征向量q，橢圓坐標(biāo)值λ0，利用這兩個(gè)，求解出橢圓曲面特征向量的逆矩陣q^-1。

進(jìn)一步地，在步驟(5)中，由步驟(4)獲得橢球曲面方程標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，完成慣性傳感器的輸出標(biāo)定。

有益效果：本發(fā)明操作方便，簡易可行，精度高，不依賴精密儀器提供高的方向基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)等特點(diǎn)。

的該方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所提出的慣性標(biāo)定方法滿足了慣性測量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中高精度要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過建立標(biāo)定模型，尋找一組最佳的擬合橢球參數(shù)，使得慣性器件測量電壓值為坐標(biāo)的點(diǎn)與擬合橢球上相應(yīng)點(diǎn)之間的代數(shù)距離平方和最小，即進(jìn)行基于橢球約束的最小二乘法擬合，進(jìn)而利用擬合得到的橢球曲面參數(shù)求出慣性器件的標(biāo)度因數(shù)和零偏，然后對慣性器件測量值進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，達(dá)到更為準(zhǔn)確的測量標(biāo)定效果，最后對該方法的應(yīng)用局限性進(jìn)行了分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三軸多功能速率位置轉(zhuǎn)臺對微慣性測量組合進(jìn)行精確標(biāo)定的全部待標(biāo)定參數(shù)圖；

圖2是本發(fā)明三個(gè)軸向加速度計(jì)輸出與轉(zhuǎn)臺精確標(biāo)定后相應(yīng)輸出對比曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例僅處于說明性目的，而不是想要限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本發(fā)明一種慣性傳感器的測量標(biāo)定方法，包括如下步驟：

(1)建立東北天坐標(biāo)系，通過fpga控制器設(shè)計(jì)的ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，同時(shí)對基本的標(biāo)定模型進(jìn)行重力的偏移補(bǔ)償；

建立坐標(biāo)系，對當(dāng)前點(diǎn)重力加速度的測量：依據(jù)東北天坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)為0，坐標(biāo)系x軸為慣性傳感器的正前方，坐標(biāo)系y軸為慣性傳感器前進(jìn)方向垂直向右，坐標(biāo)系z軸為xoy平面的垂線方向向上，同時(shí)測量當(dāng)前點(diǎn)的重力加速度，通過設(shè)計(jì)fpga控制器設(shè)計(jì)的ad9845采用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其測量10次，求解平均數(shù)，如公式(1)所示，

在公式(1)中，g0為其重力加速度進(jìn)行10測量電壓的平均值，gi為每次測量電壓量，同時(shí)當(dāng)某個(gè)測量電壓與平均值相差大于預(yù)值時(shí)，剔除當(dāng)前測量電壓；如公式(2)和公式(3)所示，

g＝gδ+g0(3)，

在公式(2)(3)中，gδ為其重力加速度進(jìn)行10測量電壓的方差值，gi為每次測量電壓量，g為得到標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度值。

所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器；

(2)依靠控制器設(shè)計(jì)慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其按照球體的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)采集球體上x軸，y軸，z軸的電壓數(shù)據(jù)；并對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，剔除一些因設(shè)備因其的無效數(shù)據(jù)；所述控制器為fpga控制器。

所述ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置隨機(jī)采集在該測量慣性傳感器的輸出的電壓值，并通過fpga控制器設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使其運(yùn)動(dòng)軌跡盡量覆蓋擬合橢球在三維空間范圍分布，得到一系列不同狀態(tài)下慣性傳感器的輸出電壓值，如公式(4)所示，

ui＝(ux,i,uy,i,uz,i)^ti＝(1,2,3…n)(4)。

所述慣性傳感器為mpu6050慣性傳感器；

(3)建立橢圓曲面的方程，檢測到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行正交多項(xiàng)式的參數(shù)擬合，將最佳的橢球方程擬合標(biāo)定模型參數(shù)，然后對慣性傳感器模型的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，使得慣性傳感器測量坐標(biāo)的點(diǎn)與擬合后橢球曲線上相應(yīng)點(diǎn)之間的距離平方和最小；

建立橢圓曲面數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，利用正交多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行參數(shù)擬合：建立橢球曲面的方程式，如公式(5)所示，

f(ξ,t)＝ξ^tt＝ax²+by²+cz²+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+l＝0(5)，

在公式(5)中，x,y,z為步驟(1)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t為橢球曲面方程系數(shù)，也稱為擬合參數(shù)向量，t＝[x²,y²,z²,2xy,2xz,2yz,2x,2y,2z,1]^t為測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系向量組合，f(ξ,t)為坐標(biāo)系(x,y,z)到該橢球f(ξ,t)＝0對應(yīng)的距離值，并對參數(shù)進(jìn)行擬合正交多項(xiàng)式的參數(shù)擬合，求解出ξ＝[a,b,c,d,e,f,p,q,r,l]^t所有參數(shù)。

(4)將擬合的橢球曲面方程進(jìn)行正交變換法二次標(biāo)準(zhǔn)型分解，先得到特征方程和它對應(yīng)的特征向量；然后計(jì)算所提到的慣性傳感器所有的未確定參數(shù)，并將參數(shù)帶入方程去驗(yàn)證，完成慣性傳感器標(biāo)定的輸出參數(shù)；

對所述橢球曲面方程，如公式(6)所示，

(λ-λ0)^tq(λ-λ0)＝1(6)，

在公式(6)中，表示與橢球半軸參數(shù)及慣性傳感器單元旋轉(zhuǎn)某

一角度時(shí)相關(guān)的橢球曲面矩陣；為橢球曲面的坐標(biāo)原點(diǎn)；

對公示(7)進(jìn)行變形，推導(dǎo)如下：

公式(7)中，設(shè)定利用公式(7)與公式(8)進(jìn)行參數(shù)匹配，得到方程式

在公式(9)中，求解出橢圓曲面特征向量q，橢圓坐標(biāo)值λ0，利用這兩個(gè)，求解出橢圓曲面特征向量的逆矩陣q^-1。

(5)根據(jù)慣性傳感器的輸出標(biāo)定，對該慣性傳感器標(biāo)定的輸出參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。由步驟(4)獲得橢球曲面方程標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，完成慣性傳感器的輸出標(biāo)定。

實(shí)施例2

實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于：在步驟(1)中，建立東北天坐標(biāo)系，通過dsp控制器設(shè)計(jì)的ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，同時(shí)對基本的標(biāo)定模型進(jìn)行重力的偏移補(bǔ)償；所述慣性傳感器為inemo-m1慣性傳感器；在步驟(2)中，所述控制器為dsp控制器。所述慣性傳感器為inemo-m1慣性傳感器。

實(shí)施例3

實(shí)施例3與實(shí)施例1的區(qū)別在于：在步驟(1)中，建立東北天坐標(biāo)系，通過arm控制器設(shè)計(jì)的ad9845數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置采集測量當(dāng)前點(diǎn)重力加速度值，并以電壓值形式表現(xiàn)出來，通過對其求解平均數(shù)和均方差，得出比較標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，同時(shí)對基本的標(biāo)定模型進(jìn)行重力的偏移補(bǔ)償；

在步驟(2)中，所述控制器為arm控制器。

試驗(yàn)1

為了驗(yàn)證該標(biāo)定方法的可行性及有效性，本文以實(shí)驗(yàn)室自組微慣性測量組合為測試平臺進(jìn)行試驗(yàn)對比分析。

試驗(yàn)中，如圖1所示，首先通過三軸多功能速率位置轉(zhuǎn)臺對微慣性測量組合進(jìn)行精確標(biāo)定，得到其全部待標(biāo)定參數(shù)。30天后，依照上述現(xiàn)場快速標(biāo)定方案采集該微慣性測量組合23個(gè)不同姿態(tài)下的輸出電壓，對其進(jìn)行基于橢球約束的最小二乘法擬合，得到如圖1所示橢球體方程，進(jìn)而結(jié)合前期標(biāo)定結(jié)果得到此時(shí)微慣性測量組合全部待標(biāo)定參數(shù)，如表1所示。于此同時(shí)，通過轉(zhuǎn)臺對該微慣性測量組合進(jìn)行精確標(biāo)定，得到的全部待標(biāo)定參數(shù)如表2所示。對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，由于加速度計(jì)零偏計(jì)算與標(biāo)度因數(shù)計(jì)算相互獨(dú)立，因此其現(xiàn)場快速標(biāo)定結(jié)果與轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果更為接近，而標(biāo)度因數(shù)由于存在模型簡化存在一定程度的計(jì)算誤差?，F(xiàn)場快速標(biāo)定結(jié)果如表1所示，

表1

轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果如表2所示，

表2

當(dāng)微慣性測量組合x軸和y軸感受加速度為零，軸敏感重力加速度狀態(tài)下，分別將這兩種不同方法計(jì)算得到的待標(biāo)定參數(shù)應(yīng)用到其輸出標(biāo)定，則經(jīng)過現(xiàn)場快速標(biāo)定后三個(gè)軸向加速度計(jì)輸出與轉(zhuǎn)臺精確標(biāo)定后相應(yīng)輸出對比曲線如圖2所示?，F(xiàn)場快速標(biāo)定精度與轉(zhuǎn)臺標(biāo)定相比有所下降，但總體能夠很好逼近轉(zhuǎn)臺標(biāo)定效果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的微慣性測量組合現(xiàn)場快速標(biāo)定方法具有操作方便、省時(shí)、精度高，不依賴精密儀器提供方向基準(zhǔn)和水平基準(zhǔn)等特點(diǎn)，滿足了微慣性測量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中短時(shí)間高精度的測試需求。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。