微慣性測(cè)量單元篩選方法及組合式微慣性測(cè)量裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種微慣性測(cè)量單元篩選方法及組合式微慣性測(cè)量裝置。篩選方法中，根據(jù)多位置法計(jì)算角速度轉(zhuǎn)換矩陣，并計(jì)算組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，以組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺x軸或y軸或z軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)擬合方差最小為標(biāo)準(zhǔn)篩選微慣性測(cè)量單元；組合式微慣性測(cè)量裝置包括至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元，微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用多個(gè)廉價(jià)的微慣性測(cè)量單元進(jìn)行組合即可構(gòu)造較高性能的慣性測(cè)量系統(tǒng)，節(jié)省成本，具有更高的可靠性，降低溫度變化對(duì)陀螺零偏的影響，實(shí)現(xiàn)了慣性測(cè)量裝置的有效的誤差補(bǔ)償。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
微慣性測(cè)量單元篩選方法及組合式微慣性測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種慣性測(cè)量單元篩選方法及慣性測(cè)量裝置，尤其涉及一種微慣性測(cè) 量單元篩選方法及組合式微慣性測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 微慣性測(cè)量單元由三軸微加速度計(jì)和三軸微陀螺組成。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā) 展，采用微慣性測(cè)量單元作為慣性測(cè)量元件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以其體積小、重量輕、成本低 等特點(diǎn)普遍使用在手機(jī)，汽車(chē)，小型無(wú)人機(jī)等平臺(tái)上，使其可以為平臺(tái)提供運(yùn)動(dòng)的位置、速 度和姿態(tài)信息。而隨著人們活動(dòng)的室內(nèi)空間越來(lái)越龐大和復(fù)雜，對(duì)商場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、交通樞紐 等人員密集場(chǎng)所的定位和引導(dǎo)需求日趨強(qiáng)烈。而普遍使用的室外導(dǎo)航定位方法如:全球定 位系統(tǒng)(GPS)、移動(dòng)通信定位系統(tǒng)等，在建筑物內(nèi)部工作時(shí)，信號(hào)易受到建筑物遮蔽或是周 圍環(huán)境變化等因素而無(wú)法有效工作。利用手機(jī)中的微慣性測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航就成 為了一種有效的手段。同時(shí)隨著小型無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，如何利用微慣性測(cè)量單元為其提 供更為精確的姿態(tài)指示與控制策略具有廣闊的應(yīng)用。因此開(kāi)展基于微慣性測(cè)量單元的研究 工作具有十分重要的意義。
[0003] 由微慣性測(cè)量單元構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航定位的精度受限于微陀螺及微加 速度計(jì)的精度，由于慣性導(dǎo)航的工作方式，使得微慣性器件的誤差會(huì)對(duì)導(dǎo)航定位產(chǎn)生誤差 的累積效應(yīng)。
[0004] 由于生產(chǎn)條件的限制，僅使用單個(gè)微慣性測(cè)量單元很難實(shí)現(xiàn)較高精度測(cè)量。而且， 慣性器件有很大概率具有方向相同、量值近似的誤差。若想僅通過(guò)篩選方法獲得性能較優(yōu) 的單個(gè)微慣性測(cè)量單元，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且無(wú)法獲得滿(mǎn)意結(jié)果。
[0005] 目前抑制慣性器件誤差對(duì)導(dǎo)航定位的影響，主要通過(guò)以下兩種技術(shù)途徑:其一:純 慣性導(dǎo)航，利用靜止檢測(cè)(ZUPT)技術(shù)抑制微慣性器件誤差對(duì)導(dǎo)航結(jié)果的影響;其二:利用外 界信息與慣性系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航的方式補(bǔ)償并抑制慣性器件誤差對(duì)定位導(dǎo)航的影響，如無(wú) 線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等技術(shù)。上述兩種技術(shù)途徑均存在各自的劣勢(shì)，途徑一采用的靜止檢測(cè)(ZUPT) 對(duì)無(wú)法有效的抑制陀螺Z軸誤差對(duì)航向角的影響;途徑二會(huì)涉及到相應(yīng)的成本提升，需要在 外部布置額外的信號(hào)基站提供輔助信息，同時(shí)其面臨在突發(fā)狀況時(shí)有較大的失效風(fēng)險(xiǎn)，如 在火災(zāi)，停電等狀況下。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有的微慣性測(cè)量單元及抑制慣性器件誤差的方法無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量 要求，因此從更為廣泛的使用角度考慮，如何采用新的慣性器件配置方案保證在現(xiàn)有慣性 器件精度的情況下提高導(dǎo)航定位精度成為亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為解決現(xiàn)有技術(shù)中微慣性測(cè)量單元在室內(nèi)導(dǎo)航定位、無(wú)人機(jī)姿 態(tài)指示等應(yīng)用中精度低、可靠性不高，且由于微慣性測(cè)量單元陀螺零偏隨著溫度變化明顯， 依據(jù)初始靜止時(shí)段獲得的零偏不能夠有效補(bǔ)償?shù)魷囟茸兓鶐?lái)的零偏變化的技術(shù)問(wèn)題， 提出了一種微慣性測(cè)量單元篩選方法及組合式微慣性測(cè)量裝置。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種微慣性測(cè)量單元篩選方法，其特征在于:所述 篩選方法以組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)擬合方差 最小為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)微慣性測(cè)量單元進(jìn)行篩選，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸;所述組合式 微慣性測(cè)量裝置包括安裝平臺(tái)和至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元，所述微慣 性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上;所述篩選方法包括如下步驟：
[0009] (1)對(duì)待選的N個(gè)微慣性測(cè)量單元，采集并計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元隨溫度變化的 陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)，其中2;
[0010] (2)隨機(jī)選擇m個(gè)微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量 裝置，其中2彡m彡N;
[0011] (3)對(duì)每一個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元的角速度測(cè)量坐 標(biāo)系與組合式微慣性測(cè)量裝置的角速度測(cè)量坐標(biāo)系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣；
[0012] (4)對(duì)每一個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，根據(jù)各個(gè)微慣性測(cè)量單元隨溫度變化的陀 螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化 的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)；
[0013 ] (5)對(duì)Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，重復(fù)步驟2)至步驟4 )，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè) 量裝置隨溫度變化的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)；
[0014] (6)對(duì)Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)分 別進(jìn)行擬合，并計(jì)算曲線(xiàn)的擬合方差；
[0015] (7)選擇Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置中曲線(xiàn)的擬合方差最小的組合式微慣性測(cè)量 裝置作為所需的組合式微慣性測(cè)量裝置。
[0016] 所述微慣性測(cè)量單元為三軸MEMS陀螺儀或六軸MEMS傳感器或九軸MEMS傳感器或 基于單軸MEMS陀螺儀開(kāi)發(fā)的MEMS慣性測(cè)量單元。在篩選慣性測(cè)量單元時(shí)，陀螺X軸或y軸或z 軸的零偏數(shù)據(jù)都可作為篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考慮。由于利用靜止檢測(cè)(ZUPT)的零速校正可以有效 的抑制水平方向上陀螺的誤差累積，因此x、y軸的陀螺零偏受溫度變化的影響也將會(huì)被抑 制，一般情況下，以減小陀螺z軸誤差影響作為主要考慮因素。通過(guò)設(shè)置至少2個(gè)可測(cè)量三軸 角速度的微慣性測(cè)量單元，即可有效減少組合式微慣性測(cè)量裝置的誤差。由于微慣性測(cè)量 單元陀螺零偏隨著溫度變化明顯，依據(jù)初始靜止時(shí)段獲得的零偏不能夠有效補(bǔ)償?shù)魷囟茸?化所帶來(lái)的零偏變化。因此，利用不同微慣性測(cè)量單元陀螺零偏隨溫度變化的趨勢(shì)存在差 異性的特點(diǎn)，通過(guò)篩選微慣性測(cè)量單元，使得組合式微慣性測(cè)量裝置的零偏受溫度變化影 響大為減小而相對(duì)穩(wěn)定，從而可以利用初始靜止時(shí)段獲得零偏加以補(bǔ)償。
[0017] 上述微慣性測(cè)量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(1)中，所述陀螺第一單 軸零偏數(shù)據(jù)由同一溫度下所采集的多個(gè)數(shù)據(jù)取均值得到。通過(guò)將測(cè)量結(jié)果求平均值，即可 減小各個(gè)軸的測(cè)量結(jié)果中的隨機(jī)誤差，提高測(cè)量精度。
[0018] 上述微慣性測(cè)量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(3)中，所述角速度轉(zhuǎn)換 矩陣通過(guò)多位置法得到，所述多位置法包括如下步驟：
[0019] (1)利用多位置法，改變組合式微慣性測(cè)量裝置的姿態(tài)，計(jì)算第i個(gè)微慣性測(cè)量單 元在不同姿態(tài)靜置時(shí)的加速度實(shí)際測(cè)量矩陣Y 1;;
[0020] (2)計(jì)算第i個(gè)微慣性測(cè)量單元在不同接觸面時(shí)的加速度理論測(cè)量矩陣Χ1;
[0021] (3)根據(jù)加速度實(shí)際測(cè)量矩陣Yi和加速度理論測(cè)量矩陣Xi，構(gòu)建組合式微慣性測(cè)量 裝置中第i個(gè)微慣性測(cè)量單元的加速度轉(zhuǎn)換模型如下：
[0022] ￥ =
[0023] 其中加速度轉(zhuǎn)換矩陣#為 ι?,,? η,Λν >ι,^ K,
[0024] η,,η hiy , Jh,:\ ?/；,η· Πι,-ζ
[0025]其中11^，11^，化,22為第1個(gè)微慣性測(cè)量單元的刻度系數(shù)，1^^、13〇、1^, 2分別為對(duì) 應(yīng)零偏，11&、11^、11^、11^、1^,^、1^,0分別代表第：[個(gè)微慣性測(cè)量單兀測(cè)量坐標(biāo)系三軸間 的非正交誤差和安裝誤差系數(shù)；
[0026] (4)利用最小二乘法，求解加速度轉(zhuǎn)換矩陣/?;'，即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣冗為 ^Ιι.'χχ '7?,、ν "Λ、：
[0027] ~ /?；," 77,vl；v 77；,ir ? jl·,, n^y
[0028] 上述微慣性測(cè)量單元篩選方法的技術(shù)方案中，所述的步驟(6)中，通過(guò)最小二乘法 擬合組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的曲線(xiàn)。
[0029] 本發(fā)明還提供一種組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:包括安裝平臺(tái)和設(shè)置于 安裝平臺(tái)上的至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元。通過(guò)在安裝平臺(tái)上簡(jiǎn)單設(shè)置 至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元，通過(guò)組合式微慣性測(cè)量裝置測(cè)量時(shí)即可使 得測(cè)量裝置的總體性能得到明顯改善，提高測(cè)量精度。
[0030] 進(jìn)一步地，組合式微慣性測(cè)量裝置分為設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的2組微慣 性測(cè)量單元。由于同一批次的微慣性測(cè)量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺 零偏誤差，因此設(shè)置2組設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的微慣性測(cè)量單元，更容易降低誤差 對(duì)測(cè)量的影響。
[0031] 進(jìn)一步地，所述微慣性測(cè)量單元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺(tái)，陀螺第一 單軸為X軸或y軸或ζ軸。令陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺(tái)，便于后續(xù)進(jìn)行計(jì)算處理。根 據(jù)實(shí)際測(cè)量需要可選擇陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸。
[0032] 進(jìn)一步地，所述設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元分別包括至 少2個(gè)微慣性測(cè)量單元，所述2組微慣性測(cè)量單元的陀螺第一單軸正向?yàn)橄喾捶较?，各組中 的微慣性測(cè)量單元緊密排列且根據(jù)中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，各組中的微慣性測(cè)量單元的除陀螺第 一單軸之外的各軸的正向彼此間隔角度相同。對(duì)于采用多位置法的加速度標(biāo)定方法，通過(guò) 設(shè)置具有相同的陀螺第一單軸輸出方向的N個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺X軸正向彼此間隔角 度相同且根據(jù)中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)多位置加速度標(biāo)定方法中不同位置的各個(gè)微慣性 測(cè)量單元的誤差的抵消，并且可以提高組合式微慣性測(cè)量裝置的加速度測(cè)量精度。
[0033] 進(jìn)一步地，設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元具有相同數(shù)量的 微慣性測(cè)量單元。同一批次的微慣性測(cè)量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺 零偏誤差。因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單地布置兩組具有相反陀螺第一單軸輸出方向的微慣性測(cè)量單 元，使得處于異面的微慣性測(cè)量單元的陀螺第一單軸輸出中所包含的零偏可以最大程度的 相互抵消，降低誤差影響。即使沒(méi)有高精度轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行陀螺標(biāo)定，也可以最大程度上保持航向 角，從而改善導(dǎo)航定位的精度。因此，將2組微慣性測(cè)量單元分別設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和 背面，可以進(jìn)一步地降低誤差影響。
[0034]進(jìn)一步地，組合式微慣性測(cè)量裝置包括4個(gè)或8個(gè)微慣性測(cè)量單元。
[0035]相比于現(xiàn)有的微慣性測(cè)量裝置，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0036] (1)利用多個(gè)廉價(jià)的微慣性測(cè)量單元進(jìn)行組合即可構(gòu)造較高性能的慣性測(cè)量系 統(tǒng)，節(jié)省了成本;相比較采用單個(gè)微慣性測(cè)量單元的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明中提出的組合式微慣 性測(cè)量裝置有更高的可靠性，應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況更具有優(yōu)勢(shì)；
[0037] (2)利用多個(gè)微慣性測(cè)量單元提供測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的多樣性，利用測(cè)量數(shù) 據(jù)的多樣性降低慣性器件在工作中摻雜的隨機(jī)誤差，使得組合后的組合式微慣性測(cè)量裝置 的陀螺零偏受溫度變化的影響更小，有效的抑制單個(gè)微慣性測(cè)量單元的隨機(jī)誤差影響，提 高定位精度；
[0038] (3)本發(fā)明的組合式微慣性測(cè)量裝置，在對(duì)精度要求不是太高的情況下，可以省去 利用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)陀螺校準(zhǔn)的過(guò)程，降低了校準(zhǔn)成本和校準(zhǔn)難度；
[0039] (4)通過(guò)溫度標(biāo)定對(duì)微慣性測(cè)量單元進(jìn)行組合，降低了溫度變化對(duì)陀螺零偏的影 響，實(shí)現(xiàn)了有效的陀螺誤差補(bǔ)償，使得對(duì)陀螺零偏的校準(zhǔn)更為簡(jiǎn)單；
[0040] (5)通過(guò)具有相同的陀螺第一單軸輸出方向的多個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺X軸正 向彼此間隔角度相同且根據(jù)中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，可以降低多位置法加速度標(biāo)定的標(biāo)定誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0041 ]圖1為本發(fā)明的微慣性測(cè)量單元篩選方法流程圖；
[0042] 圖2(a)為本發(fā)明的組合式微慣性測(cè)量裝置中設(shè)置于安裝平臺(tái)正面的4個(gè)微慣性測(cè) 量單兀的布置不意圖，其中oxm頂uyM頂uzm頂u表不組合式微慣性測(cè)量裝置的坐標(biāo)系；oixiyizi、 02X2y2Z2、03X3y3Z3、04X4y4Z4表示單個(gè)微慣性測(cè)量單元測(cè)量的坐標(biāo)系，且0、01、02、03、04分另|J為 相應(yīng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)；
[0043] 圖2(b)為本發(fā)明的組合式微慣性測(cè)量裝置的分別設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面 的2個(gè)微慣性測(cè)量單兀的布置不意圖，其中OXM頂U(kuò)yMIMUZMM表不組合式微慣性測(cè)量裝置的坐 標(biāo)系;〇5X5y5Z5、06X6y6Z6表示單個(gè)微慣性測(cè)量單元測(cè)量的坐標(biāo)系，其中，?代表X軸方向?yàn)榇?直紙面向外的方向，?代表X軸方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶锏姆较?，?、05、06分別為相應(yīng)坐標(biāo)系的 坐標(biāo)原點(diǎn)；
[0044] 圖3為溫度區(qū)間內(nèi)組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺Z軸輸出以及分別設(shè)置于安裝平 臺(tái)的正面、背面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸角速度的對(duì)比圖，其中曲線(xiàn)①表示溫度區(qū) 間內(nèi)設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸角速度，曲線(xiàn)②表示溫度區(qū) 間內(nèi)組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺z軸角速度，曲線(xiàn)③表示溫度區(qū)間內(nèi)設(shè)置于安裝平臺(tái)的 背面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸角速度，其中組合式微慣性測(cè)量裝置包括設(shè)置于安 裝平臺(tái)的正面和背面的微慣性測(cè)量單元；
[0045] 圖4為靜止條件下，組合式微慣性測(cè)量裝置隨時(shí)間變化的z軸姿態(tài)解算結(jié)果以及分 別設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面、背面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸姿態(tài)解算結(jié)果對(duì)比圖，其 中曲線(xiàn)①表示表示靜止條件下設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸姿 態(tài)解算結(jié)果，曲線(xiàn)②表示靜止條件下組合式微慣性測(cè)量裝置隨時(shí)間變化的Z軸姿態(tài)解算結(jié) 果，曲線(xiàn)③表示表示靜止條件下設(shè)置于安裝平臺(tái)的背面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺Z軸 姿態(tài)解算結(jié)果，其中組合式微慣性測(cè)量裝置包括設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的微慣性測(cè) 量單元。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行描述。 [0047]如圖1 一4所示，一種組合式微慣性測(cè)量裝置，包括至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微 慣性測(cè)量單元，微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上。
[0048]組合式微慣性測(cè)量裝置中，微慣性測(cè)量單元的設(shè)置有2種方案：
[0049] (1)所有微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)的同一面；
[0050] (2)微慣性測(cè)量單元可分為設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元。
[0051] 考慮到慣性導(dǎo)航應(yīng)用在室內(nèi)定位這一場(chǎng)合時(shí)，其航向角的精度對(duì)導(dǎo)航定位的精度 影響較大，且同一批次的微慣性測(cè)量單元有很大可能具有方向相同、數(shù)值相似的陀螺零偏 誤差。因此采用方案(2)中的布置方式，相比于方案（1)，可以進(jìn)一步降低誤差影響，實(shí)現(xiàn)精 度更高的測(cè)量。
[0052] 進(jìn)一步地，可令微慣性測(cè)量單元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺(tái)，可以進(jìn)一 步簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)車(chē)工。本發(fā)明中的陀螺第一單軸以z軸為例，對(duì)于X軸、y軸的處理方法相似。同 時(shí)，也可設(shè)置安裝平臺(tái)正面和背面的微慣性測(cè)量單元為相同的個(gè)數(shù)，也可簡(jiǎn)化計(jì)算?？紤]到 運(yùn)算的復(fù)雜程度，組合式微慣性測(cè)量裝置一般由4個(gè)或8個(gè)微慣性測(cè)量單元組成，即在安裝 平臺(tái)的正面、背面分別設(shè)置2個(gè)或4個(gè)微慣性測(cè)量單元。若需要更改的慣性測(cè)量精度，也可采 用12個(gè)、16個(gè)甚至更多的微慣性測(cè)量單元的組合。
[0053]組合式微慣性測(cè)量裝置中的微慣性測(cè)量單元根據(jù)微慣性測(cè)量單元篩選方法得到， 所述篩選方法以組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)擬合方差最 小為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)微慣性測(cè)量單元進(jìn)行篩選。所述篩選方法包括如下步驟：
[0054] (1)采集并計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元內(nèi)隨溫度變化的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)
[0055] 首先將N個(gè)待選微慣性測(cè)量單元放置在恒溫箱中，其中N多2。設(shè)定全溫度范圍的溫 度變化區(qū)間為[Tmin，T max]，從Tmin開(kāi)始，每隔△ T，在各個(gè)溫度時(shí)采集多個(gè)陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)， 其中Δ T可設(shè)置為0.1°C、0.2 °C、0.5 °C、1°C、2 °C或5 °C，或其他便于實(shí)際測(cè)量的值，其中Tmin、 Tmax的值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中慣性測(cè)量裝置的工作溫度范圍而確定，一般情況下，令T min$(TC， Tmax<90°C。可選擇溫度變化區(qū)間為[5°C，85°C]，每隔ΔΤ=1Γ調(diào)節(jié)一次恒溫箱的溫度，分 別對(duì)待選微慣性測(cè)量單元采集陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，將所采集的多個(gè)數(shù)據(jù)取均值，得到第i個(gè) 慣性測(cè)量單元在溫度T時(shí)的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)為MIMU^T為采集數(shù)據(jù)時(shí)的溫度，其中上標(biāo)i 代表微慣性測(cè)量單元的序號(hào)，l<i<N，則全溫度范圍內(nèi)，第i個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺z軸 零偏數(shù)據(jù)為
[0056] MIMU，= [MIMU；·','，MIMU^ +ΛΓ，…，MIMU；_ ];
[0057] (2)隨機(jī)選擇m個(gè)微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量 裝置，其中2彡m彡N;
[0058] (3)計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元的測(cè)量坐標(biāo)系與組合式微慣性測(cè)量裝置的測(cè)量坐標(biāo) 系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣
[0059] 所述微慣性測(cè)量單元可測(cè)量三軸加速度。假定加速度測(cè)量坐標(biāo)系與角速度測(cè)量坐 標(biāo)系的x、y、z軸分別平行。
[0060] 將各個(gè)微慣性測(cè)量單元安裝到安裝平臺(tái)后，由于安裝時(shí)可能存在誤差，因此想要 確定組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺z軸零偏數(shù)據(jù)，可以計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元的測(cè)量坐 標(biāo)系與組合式微慣性測(cè)量裝置的測(cè)量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。組合式微慣性測(cè)量裝置的測(cè) 量結(jié)果為各個(gè)微慣性測(cè)量單元的測(cè)量結(jié)果分別與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣相乘的乘積之和。
[0061] 第i個(gè)慣性測(cè)量單元的加速度測(cè)量坐標(biāo)系與組合式微慣性測(cè)量裝置的加速度測(cè)量 坐標(biāo)系之間的加速度轉(zhuǎn)換矩陣iT為 η；Λ}· ^ k,r
[0062] R；1 = η," /；,·", i],y: bjy , η,," }i,_v K,_
[0063]其中11^，11^，化,22為第1個(gè)微慣性測(cè)量單元的刻度系數(shù)，13^、13^、1^, 2分別為對(duì) 應(yīng)零偏，11&、11^、11^、11^、1^,^、1^,0分別代表第：[個(gè)微慣性測(cè)量單兀測(cè)量坐標(biāo)系三軸間 的非正交誤差和安裝誤差系數(shù)。
[0064] 求得第i個(gè)慣性測(cè)量單元的加速度轉(zhuǎn)換矩陣和，即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣尺。第i 個(gè)慣性測(cè)量單元的角速度測(cè)量坐標(biāo)系與組合式微慣性測(cè)量裝置的角速度測(cè)量坐標(biāo)系之間 的角速度轉(zhuǎn)換矩陣疋為
[0065] Κ 二1h'' !l;'yy?
[0066] 通過(guò)測(cè)量加速度實(shí)際測(cè)量矩陣和加速度理論測(cè)量矩陣，利用多位置法即可得到加 速度轉(zhuǎn)換矩陣所述多位置法包括：
[0067] ①將組合式微慣性測(cè)量裝置放置在多面體的中軸面上，并將多面體放置在水平面 上；
[0068] ②利用多位置法，依次改變多面體與水平面的接觸面，計(jì)算第i個(gè)微慣性測(cè)量單元 在不同接觸面時(shí)的加速度實(shí)際測(cè)量矩陣 m nnu m win m imu aix, …
[0069] X = <汐"心Γ1 …, m iniu m imu m imu α,Λ;_ a,a：_ …H-
[0070] 其中i = l，2,…，m，J為采用的多位置法的位置個(gè)數(shù)，J不小于4，J的常用取值為4、 6、8、12、16、24，丫1為3\了階矩陣；
[0071] ③計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元在不同接觸面時(shí)的加速度理論測(cè)量矩陣XiS idt M idt Μ . Y . idetd ?Μ,, α,,?Λ "· aU,, ideal ideal ideal rnn79l x _ ?，,!,> - au,y 1 1
[0073] 其中XiS4XJ階矩陣，加速度理論測(cè)量值即為重力加速度與相應(yīng)角度的三角函數(shù) 值的乘積；
[0074] ④根據(jù)獲得加速度實(shí)際測(cè)量矩陣Yi和加速度理論測(cè)量矩陣Xi，構(gòu)建組合式微慣性 測(cè)量裝置轉(zhuǎn)換模型如下：
[0075] 。
[0076] 利用最小二乘法，使得式/(<) = ( Κ Κ4)取最小值，求解可得加速度 轉(zhuǎn)換矩陣尺1，即可求得角速度轉(zhuǎn)換矩陣祀。
[0077] (4)計(jì)算組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)
[0078] 對(duì)每一個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，根據(jù)各個(gè)微慣性測(cè)量單元隨溫度變化的陀螺ζ 軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的陀螺ζ軸 零偏數(shù)據(jù)，則包含m個(gè)微慣性測(cè)量單元的單個(gè)組合方案的組合式微慣性測(cè)量裝置在全溫度 區(qū)間內(nèi)的陀螺ζ軸輸出即為各個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣的 乘積；
[0079] (5)重復(fù)步驟(2)至步驟(4)，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的陀螺ζ 軸零偏數(shù)據(jù)；
[0080] (6)曲線(xiàn)擬合與擬合方差的計(jì)算
[0081] 對(duì)Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺ζ軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)分別進(jìn)行擬 合，并計(jì)算曲線(xiàn)的擬合方差。
[0082]由于組合式微慣性測(cè)量裝置中陀螺ζ軸零偏隨溫度變化的理想曲線(xiàn)為直線(xiàn)，利用 最小二乘法擬合的方法獲得其在溫度區(qū)間[Tmin，Tmax]內(nèi)的陀螺ζ軸零偏隨溫度變化的擬合 曲線(xiàn)Lmhmu，并計(jì)算擬合方差。選擇Q個(gè)組合中擬合方差最小的組合，得到篩選的微慣性測(cè)量 單元，將篩選得到的微慣性測(cè)量單元構(gòu)成組合式微慣性測(cè)量裝置；
[0083] (7)選擇Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置中曲線(xiàn)的擬合方差最小的組合式微慣性測(cè)量 裝置作為所需的組合式微慣性測(cè)量裝置。
[0084]如圖2(a)和圖2(b)所示，假定篩選得到8個(gè)微慣性測(cè)量單元，且將其分為2組，每組 各包含4個(gè)微慣性測(cè)量單元，所述2組微慣性測(cè)量單元的陀螺ζ軸正向?yàn)橄喾捶较颍⑶腋鹘M 微慣性測(cè)量單元分別為緊密排列且采用順時(shí)針排列，即微慣性測(cè)量單元的陀螺X軸正向彼 此間隔角度相同且根據(jù)中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置。這樣做的好處在于通過(guò)篩選使得處于異面的微慣 性測(cè)量單元的陀螺ζ軸輸出中所包含的陀螺ζ軸零偏可以最大程度的相互抵消，在這種情況 下，即使沒(méi)有高精度轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行陀螺標(biāo)定，也可以最大程度上保持航向角，從而改善導(dǎo)航定位 的精度。
[0085]以上描述了本發(fā)明的主要方面，下面以具體仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
[0086] 圖3中給出仿真實(shí)驗(yàn)中獲得一組篩選組合方案的結(jié)果對(duì)比圖，即溫度區(qū)間內(nèi)組合 式微慣性測(cè)量裝置的陀螺ζ軸輸出以及分別設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面、背面的單個(gè)微慣性測(cè) 量單元的陀螺ζ軸角速度的對(duì)比圖。從圖3中的曲線(xiàn)①、③可以看出，對(duì)于單個(gè)微慣性測(cè)量單 元，其零偏隨溫度變化較大，且無(wú)規(guī)則，但是經(jīng)過(guò)對(duì)微慣性測(cè)量單元篩選之后，構(gòu)成組合式 微慣性測(cè)量裝置，由曲線(xiàn)②可以看出組合式微慣性測(cè)量裝置的零偏可以保持在較小的范圍 內(nèi)，受溫度影響較小，更加穩(wěn)定，易于對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
[0087] 圖4為靜止條件下，組合式微慣性測(cè)量裝置隨時(shí)間變化的ζ軸姿態(tài)解算結(jié)果以及分 別設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面、背面的單個(gè)微慣性測(cè)量單元的陀螺Z軸姿態(tài)解算結(jié)果對(duì)比圖。從 圖4中的曲線(xiàn)①、③可以看出，對(duì)于單個(gè)微慣性測(cè)量單元，靜止條件下，對(duì)陀螺Z軸姿態(tài)結(jié)算 結(jié)果(陀螺z軸角度)隨時(shí)間變化而變化較大，因此誤差也較大。但對(duì)于組合式微慣性測(cè)量裝 置，由曲線(xiàn)②可以看出，隨時(shí)間變化的陀螺z軸姿態(tài)結(jié)算結(jié)果明顯受誤差的影響更小，可以 實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的航向角測(cè)量。
[0088]以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例， 不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng) 仍歸屬于本專(zhuān)利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微慣性測(cè)量單元篩選方法，其特征在于:所述篩選方法以組合式微慣性測(cè)量裝 置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)擬合方差最小為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)微慣性測(cè)量單元進(jìn) 行篩選，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或Z軸;所述組合式微慣性測(cè)量裝置包括安裝平臺(tái)和 至少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元，所述微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上;所 述篩選方法包括如下步驟： (1) 對(duì)待選的N個(gè)微慣性測(cè)量單元，采集并計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元隨溫度變化的陀螺 第一單軸零偏數(shù)據(jù)，其中2; (2) 隨機(jī)選擇m個(gè)微慣性測(cè)量單元設(shè)置于安裝平臺(tái)上，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置， 其中2<m<N; (3) 對(duì)每一個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，計(jì)算各個(gè)微慣性測(cè)量單元的角速度測(cè)量坐標(biāo)系 與組合式微慣性測(cè)量裝置的角速度測(cè)量坐標(biāo)系之間的角速度轉(zhuǎn)換矩陣； (4) 對(duì)每一個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，根據(jù)各個(gè)微慣性測(cè)量單元隨溫度變化的陀螺第 一單軸零偏數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的陀 螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)； (5) 對(duì)Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置，重復(fù)步驟2)至步驟4)，得到Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝 置隨溫度變化的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)； (6) 對(duì)Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置的陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)隨溫度變化的曲線(xiàn)分別進(jìn) 行擬合，并計(jì)算曲線(xiàn)的擬合方差； (7) 選擇Q個(gè)組合式微慣性測(cè)量裝置中曲線(xiàn)的擬合方差最小的組合式微慣性測(cè)量裝置 作為所需的組合式微慣性測(cè)量裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測(cè)量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟（1)中，所 述陀螺第一單軸零偏數(shù)據(jù)由同一溫度下所采集的多個(gè)數(shù)據(jù)取均值得到。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測(cè)量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟(3)中，所 述角速度轉(zhuǎn)換矩陣通過(guò)多位置法得到，所述多位置法包括如下步驟： (1) 利用多位置法，改變組合式微慣性測(cè)量裝置的姿態(tài)，計(jì)算第i個(gè)微慣性測(cè)量單元在 不同姿態(tài)靜置時(shí)的加速度實(shí)際測(cè)量矩陣Y1; (2) 計(jì)算第i個(gè)微慣性測(cè)量單元在不同接觸面時(shí)的加速度理論測(cè)量矩陣X1; (3) 根據(jù)加速度實(shí)際測(cè)量矩陣YdP加速度理論測(cè)量矩陣X1，構(gòu)建組合式微慣性測(cè)量裝置 中第i個(gè)微慣性測(cè)量單元的加速度轉(zhuǎn)換模型如下： Yi ^R1Xi , 其中加速度轉(zhuǎn)換矩陣冗為其中以^，11^，1^,22為第1個(gè)微慣性測(cè)量單元的刻度系數(shù)，13^、1^^、1^,2分別為對(duì)應(yīng)零 偏，11^、!^^、11^、11^、1^,^、1^,^分別代表第：[個(gè)微慣性測(cè)量單兀測(cè)量坐標(biāo)系三軸間的非 正交誤差和安裝誤差系數(shù)； (4) 利用最小二乘法，即可求解得到加速度轉(zhuǎn)換矩陣即可得到角速度轉(zhuǎn)換矩陣和為4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微慣性測(cè)量單元篩選方法，其特征在于:所述的步驟(6)中，通 過(guò)最小二乘法擬合組合式微慣性測(cè)量裝置隨溫度變化的曲線(xiàn)。5. -種組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:包括安裝平臺(tái)和設(shè)置于安裝平臺(tái)上的至 少2個(gè)可測(cè)量三軸角速度的微慣性測(cè)量單元。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:所述組合式微慣性測(cè)量 裝置分為設(shè)置于安裝平臺(tái)的正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:所述微慣性測(cè)量單 元的陀螺第一單軸垂直于所述安裝平臺(tái)，所述陀螺第一單軸為X軸或y軸或z軸。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:所述設(shè)置于安裝平臺(tái)的 正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元分別包括至少2個(gè)微慣性測(cè)量單元，所述2組微慣性測(cè)量 單元的陀螺第一單軸正向?yàn)橄喾捶较颍鹘M中的微慣性測(cè)量單元緊密排列且根據(jù)中心點(diǎn)對(duì) 稱(chēng)設(shè)置，各組中的微慣性測(cè)量單元的除陀螺第一單軸之外的各軸的正向彼此間隔角度相 同。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于:所述設(shè)置于安裝平臺(tái)的 正面和背面的2組微慣性測(cè)量單元具有相同數(shù)量的微慣性測(cè)量單元。10. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的組合式微慣性測(cè)量裝置，其特征在于，所述組合式微慣性 測(cè)量裝置包括4個(gè)或8個(gè)微慣性測(cè)量單元。
【文檔編號(hào)】G01C21/18GK106017470SQ201610311875
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黎兵
【申請(qǐng)人】湖南格納微信息科技有限公司