一种外场在线标定微型阵列MEMS陀螺仪的方法与流程

本发明属于惯性导航中惯性传感器误差标定，具体涉及一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法。

背景技术：

1、惯性导航系统可独立为载体提供姿态、速度、位置等信息。微机械(mems)惯性传感器因其微型化、成本低等优点，广泛应用于惯性导航中。但受限于加工工艺，单一mems惯性传感器具有测量误差大、稳定性差等缺陷，无法满足高精度的应用需求。采用器件冗余配置技术是提高系统可靠性的常用方法，但是复杂的配置方式会降低惯性器件的量测精度，在提高惯导系统可靠性的同时保证精度是亟待解决的问题。在实验室条件下可以用高精度转台作为参考来实现误差补偿，但是在不配备转台的外场工况下，这一方案不再适用。并且零偏、标度因数和安装误差不是固定不变的，误差会随着时间而变化。

2、现有技术利用辅助设备的导航数据作为参考来标定，需在产品上安装额外的器件，增大了产品的成本，同时，利用自然界的恒矢量作为参考，需要将加速度计、mems陀螺仪采集的数据全部存储再进行参数估计，无法实现在线标定，需要额外的存储单元。

技术实现思路

1、为了克服现有技术不足，现提出一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，本发明提出的方法仅需要mems陀螺仪的输出，可跟随mems陀螺仪不同运动状态下的输出在线标定。

2、本发明所采用的技术方案是：提供一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，包括以下步骤：

3、s1，通电，初始化微型机惯性传感器；

4、s2，将微型阵列mems陀螺仪的输出转换为载体坐标系的三轴输出；

5、s3，结合机动目标跟踪理论，建立角速率跟踪的卡尔曼滤波器，估算得道各时刻的各轴角速度速率；

6、s4，用估算得到各时刻的各轴角速率，建立随机漂移误差估算的自适应卡尔曼滤波器，对xyz轴分别进行随机漂移误差和确定性误差补偿；

7、s5，以每个时刻补偿完随机漂移误差的估计角速率为参考，建立确定性误差估算卡尔曼滤波器，并进行补偿；

8、s6，估算得到该时刻的十二个误差参数，在当前采样时刻下，先得到角速率估算补偿随机漂移误差估算后的值，将该值作为参考代入确定性误差估算的滤波器中，得到确定性误差角速率；

9、s7，用随机漂移误差和确定性误差估算法对当前采样角速率进行估算，得到最终标定结果。

10、优选的，所述步骤s2将微型阵列mems陀螺仪的输出转换为载体坐标系的三轴输出，具体过程如下：

11、首先，构建载体坐标系(b系)为“x-y-z”，确定阵列中第i个传感器敏感轴在载体坐标系中与obzb轴的夹角αi，在xbobyb平面上的投影与obxb轴方向的夹角为βi，则含n个传感器敏感轴的输出在b系下表示为

12、

13、m＝hx+υ

14、其中，υ为量测噪声；

15、使用最小二乘法将阵列式mems传感器输出融合为三轴输出

16、

17、其中ω为冗余mems陀螺仪敏感轴输出，为b系相对于地理坐标系(x-y-z)的三轴角速度。

18、优选的，所述步骤s3结合机动目标跟踪理论，建立系统状态空间方程如下：

19、xik＝aixik-1+wik

20、zik＝hixiik+vik

21、

22、其中，hi＝[10]，系统噪声wik是均值为零，方差为的白噪声序列，vik是均值为零，方差为rik的高斯量测噪声。

23、优选的，所述步骤s4中随机误差漂移补偿方式为：对各轴数据选取静止状态下400个数据点进行预处理，去除线性趋势项后，再用gm(1，1)模型去除非线性趋势项，对数据进行正态化处理，预处理后的数据为具有正态性的零均值平稳随机序列，根据aic准则，建立最优arma(2，1)模型；方程为

24、

25、用arma模型系数和θj构建的自适应卡尔曼滤波器如下：

26、xiik＝aiixiik-1+wiik

27、ziik＝hiixiik+viik

28、其中，系统状态变量xiik＝[xk xk-1]t，xk为随机漂移误差估计。系统噪声变量wiik＝ak，hii＝[1 0]，g0＝1，

29、自适应卡尔曼滤波器中的自适应参数更新过程为

30、

31、qiik＝qiik-1+γqiik-1dkeiik

32、

33、其中，piik，k-1为协方差矩阵，eiik为估计误差，qik和qik分别为时变系统噪声的均值和方差，riik-1为量测噪声方差，γ＝(1-b)/(1-bk+1)，b为遗忘因子。

34、5.根据权利要求4所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述步骤s5考虑mems陀螺仪的零偏、标度因数和安装误差，构建误差模型为：

35、ωm＝sgωt+bg

36、其中，ωm＝[ωmx ωmy ωmz]t为b系下未标定的阵列式mems陀螺仪的正交三轴输出，ωt＝[ωx ωy ωz]t为载体实际的角速度，bg为mems陀螺仪的零偏，sg为系数矩阵。bg和sg可以表示为

37、

38、用于确定性误差补偿的卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程为

39、

40、优选的，本方法采用17颗mems芯片构建阵列式mems惯导系统。

41、优选的，所述17颗mems芯片的每颗芯片即为一个惯性测量单元(imu)包含三轴加速度计和三轴mems陀螺仪；正面九颗芯片，其中八颗芯片沿圆形均匀排布，相邻芯片夹角为45°；背面八颗芯片和正面圆形排布的八颗芯片处于对应位置。

42、本发明的有益效果：。

43、本发明提出一种成本低、计算量小、可跟随mems陀螺仪不同运动状态在线误差补偿的标定方法；将微型阵列mems陀螺仪融合三轴输出，减小阵列系统标定的计算量；先存储一小段静止数据进行自回归滑动平均(arma)建模后，用自适应卡尔曼滤波器跟随估计mems陀螺仪随机漂移误差，并补偿用卡尔曼滤波器跟随估计角速率的随机漂移误差，以此为参考用卡尔曼滤波器估计确定性误差并补偿，实现了mems陀螺仪随机漂移误差和确定性误差的在线标定，适用于低成本组装的阵列式mems惯导系统。

技术特征：

1.一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述步骤s2将微型阵列mems陀螺仪的输出转换为载体坐标系的三轴输出，具体过程如下：

3.根据权利要求2所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述步骤s3结合机动目标跟踪理论，建立系统状态空间方程如下：

4.根据权利要求3所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述步骤s4中随机误差漂移补偿方式为：对各轴数据选取静止状态下400个数据点进行预处理，去除线性趋势项后，再用gm(1，1)模型去除非线性趋势项，对数据进行正态化处理，预处理后的数据为具有正态性的零均值平稳随机序列，根据aic准则，建立最优arma(2，1)模型；方程为

5.根据权利要求4所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述步骤s5考虑mems陀螺仪的零偏、标度因数和安装误差，构建误差模型为：

6.根据权利要求5所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：本方法采用17颗mems芯片构建阵列式mems惯导系统。

7.根据权利要求6所述的一种外场在线标定微型阵列mems陀螺仪的方法，其特征在于：所述17颗mems芯片的每颗芯片即为一个惯性测量单元(imu)包含三轴加速度计和三轴mems陀螺仪；正面九颗芯片，其中八颗芯片沿圆形均匀排布，相邻芯片夹角为45°；背面八颗芯片和正面圆形排布的八颗芯片处于对应位置。

技术总结本发明公开一种外场在线标定微型阵列MEMS陀螺仪的方法，包括以下步骤：通电，初始化微型机惯性传感器；将微型阵列MEMS陀螺仪的输出转换为载体坐标系的三轴输出；结合机动目标跟踪理论，建立角速率跟踪的卡尔曼滤波器，估算得道各时刻的各轴角速度速率；用估算得到各时刻的各轴角速率，建立随机漂移误差估算的自适应卡尔曼滤波器，对xyz轴分别进行随机漂移误差和确定性误差补偿；以每个时刻补偿完随机漂移误差的估计角速率为参考，建立确定性误差估算卡尔曼滤波器，并进行补偿；估计得到该时刻的十二个误差参数，对当前采样角速率的随机漂移误差和确定性误差进行补偿后，得到当前时刻最终标定角速率。技术研发人员：孙泽春,曹菁哲,宋见,冯晓青,周勇受保护的技术使用者：重庆鲲量科技有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6