基于橢球假設(shè)的MIMU現(xiàn)場標(biāo)定方法

翟子雄，張丕狀，張煜林

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

基于橢球假設(shè)的MIMU現(xiàn)場標(biāo)定方法

翟子雄，張丕狀，張煜林

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

微慣性測試單元（MIMU）中測量組合的測量準(zhǔn)確度直接影響姿態(tài)測試系統(tǒng)姿態(tài)解算的準(zhǔn)確度，根據(jù)微慣性測量組合任意靜態(tài)位置3個(gè)軸測量模值為固定值，提出一種基于橢球假設(shè)的MIMU現(xiàn)場快速標(biāo)定方法。通過分析微慣性測量組合的誤差模型，對其在不同姿態(tài)下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球擬合，快速得到全部標(biāo)定參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可在沒有精密標(biāo)定設(shè)備的條件下現(xiàn)場標(biāo)定，操作簡便、快速，準(zhǔn)確度可以提高3個(gè)數(shù)量級，滿足導(dǎo)航解算的準(zhǔn)確度要求。

橢球假設(shè)；微慣性測試單元；現(xiàn)場標(biāo)定；零偏；靈敏度；非正交

0　引　言

針對姿態(tài)測試系統(tǒng)小型化、輕量化、低功耗的需求，MEMS慣性測量組合的發(fā)展使得研制這種姿態(tài)測試系統(tǒng)成為可能[1]。微慣性測量組合（MIMU）的測量性能將直接影響姿態(tài)測試系統(tǒng)姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性；然而，微慣性測量組合單元的自身參數(shù)會隨著時(shí)間、環(huán)境、溫度的變化而改變[2-3]。其中，加速度傳感器和陀螺儀的零偏表現(xiàn)最為明顯，測量時(shí)間不同則所測結(jié)果不同，并且會不斷漂移。那么系統(tǒng)的慣性測量組合在現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境中的性能參數(shù)和實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺標(biāo)定的參數(shù)會有很大不同，如果使用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的參數(shù)會產(chǎn)生較大的解算誤差，影響姿態(tài)的解算準(zhǔn)確度[4]，因此需要一種現(xiàn)場標(biāo)定方法[5]。

MIMU傳統(tǒng)的標(biāo)定方法有十二位置標(biāo)定法[6]、靜態(tài)多位置法[7]，這些微慣性測量組合標(biāo)定方法依賴實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，很難進(jìn)行現(xiàn)場準(zhǔn)確標(biāo)定；而文獻(xiàn)[8]的方法雖然可以現(xiàn)場標(biāo)定，但借助于轉(zhuǎn)臺測量結(jié)果，加速度計(jì)和陀螺儀的非正交誤差角沒有考慮進(jìn)去，使得傳感器輸出的標(biāo)定結(jié)果并不準(zhǔn)確。因此，本文提出一種不依賴精密標(biāo)定設(shè)備，每次試驗(yàn)前能夠現(xiàn)場對微慣性測量組合進(jìn)行快速準(zhǔn)確標(biāo)定的方法。該方法在對三軸加速度傳感器和陀螺儀標(biāo)定時(shí)，分別以某一位置的重力場和地球自轉(zhuǎn)角速度為固定值，通過橢球擬合對MIMU中各慣性傳感器的零偏、靈敏度、非正交誤差角進(jìn)行現(xiàn)場快速標(biāo)定，準(zhǔn)確度較傳統(tǒng)方法可以提高3個(gè)數(shù)量級，完全滿足導(dǎo)航系統(tǒng)對MIMU的準(zhǔn)確度要求。由于加速度傳感器和陀螺儀標(biāo)定方法基本相同，本文以加速度傳感器為例進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。

1　MIMU中加速度傳感器誤差模型

加速度傳感器3個(gè)測量軸存在測量性質(zhì)差異，而且3個(gè)測量軸也無法保證兩兩正交，因此三軸加速度傳感器誤差模型主要是由零位誤差、靈敏度誤差和安裝誤差組成。零位誤差可以表示為

式中g(shù)x0，gy0，gz0分別為x軸、y軸、z軸的零位偏差。

靈敏度誤差是由于3個(gè)軸信號的放大電路特性不同引起的，可以表示為

式中Sn為加速度傳感器的額定靈敏度，Sx、Sy、Sz分別為3個(gè)軸的靈敏度。

理想情況下，加速度傳感器的3個(gè)軸是完全正交的，但在傳感器制造過程中不能保證3個(gè)軸兩兩正交，從而產(chǎn)生非正交誤差[9]。假設(shè)加速度傳感器z軸和正交坐標(biāo)系的zm軸完全重合，其他兩軸與正交坐標(biāo)系的夾角分別為α，β，γ，如圖1所示。

非正交誤差可表示為

通常，廠家提供的三軸加速度傳感器非正交誤差角度＜0.5°。因此可以對式（3）進(jìn)行化簡。綜合考慮加速度傳感器誤差，真實(shí)加速度ge和測量值gm之間的關(guān)系如下：

其中

其中

2　橢球擬合法

三軸加速度傳感器坐標(biāo)系O-xbybzb與地理坐標(biāo)系O-xgygzg關(guān)系如圖2所示，重力矢量g垂直向下，θ、φ分別表示載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。某姿態(tài)下加速度傳感器的測量值為A=（ax，ay，az）T，重力矢量在加速度傳感器各軸的分量為

圖2　三軸加速度傳感器坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系關(guān)系示意圖

在無誤差的理想情況下，測量值A(chǔ)滿足下式：

一般的二次曲面方程可表示為

的系數(shù)矩陣；

令I(lǐng)=a+b+c，J=ab+bc+ac-f2-e2-d2，如果4J-I2＞0，式（10）必為橢球。若取為n組加速度的測量值。

定義：

則擬合橢球到測試點(diǎn)的問題可轉(zhuǎn)化為如下約束問題：

也可表示為

其中D=（X1，X2，…，Xi），且根據(jù)文獻(xiàn)[10]的橢球擬合的最小二乘法算法可唯一確定橢球系數(shù)向量V。

根據(jù)橢球系數(shù)，利用解析法即可求出誤差參數(shù)（ge取當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?/p>

將參數(shù)誤差代入式（5），得到三軸加速度傳感器的誤差補(bǔ)償模型并對測量值進(jìn)行標(biāo)定。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述標(biāo)定方法的可行性和標(biāo)定結(jié)果的有效性，將三軸加速度傳感器固定在三軸位置轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，采集不同姿態(tài)下的三軸加速度數(shù)據(jù)，標(biāo)定位置應(yīng)盡量覆蓋橢球的各個(gè)方向，每個(gè)測試位置靜止采集20s。選取20個(gè)姿態(tài)采集三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)作為測量值進(jìn)行橢球擬合，得到橢球全部誤差參數(shù)，利用式（5）對加速度傳感器的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖3所示，其中虛線代表原始加速度傳感器誤差、實(shí)線代表補(bǔ)償后的加速度傳感器誤差。

圖3　三軸加速度傳感器20組數(shù)據(jù)補(bǔ)償誤差

圖中加速度傳感器最大最小絕對誤差由標(biāo)定前的0.4077m/s2減小到0.0031m/s2。均方根誤差由標(biāo)定前的0.1247m/s2減小為7.023×10-4m/s2，準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-3m/s2。

傳感器處于水平位置時(shí)，加速度傳感器x軸和y軸應(yīng)該為零，z軸感應(yīng)重力加速度，將實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺標(biāo)定參數(shù)和現(xiàn)場快速標(biāo)定的參數(shù)應(yīng)用到加速度傳感器標(biāo)定，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺標(biāo)定和現(xiàn)場標(biāo)定后的三軸輸出與未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)娜S輸出對比曲線如圖4所示。沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)娜S輸出會有較大誤差，而經(jīng)過橢球擬合現(xiàn)場標(biāo)定后的準(zhǔn)確度會逼近于轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果。

4　結(jié)束語

本文分析了微慣性測量組合中加速度傳感器任意姿態(tài)下的誤差模型，利用橢球擬合可以求出橢球參數(shù)，進(jìn)而求得加速度傳感器的零位、靈敏度、非正交誤差角，并對MIMU的輸出進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測試方法可在不需要外界參考基準(zhǔn)下現(xiàn)場快速測試，操作簡單易行，經(jīng)過標(biāo)定后的三軸加速度傳感器精度可以提高3個(gè)數(shù)量級，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。該方法同時(shí)適用于其他三軸矢量傳感器的標(biāo)定工作，如三軸磁傳感器等。

圖4　三軸加速度輸出標(biāo)定效果比較

[1]楊淑潔，曾慶雙，伊國興.低成本無人機(jī)姿態(tài)測量系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（2）：15-18.

[2]劉俊，石云波，李杰.微慣性技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：296-300.

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[6]陳彎彎，陳智剛，付建平.MEMS微型慣性測量組合的標(biāo)定[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（12）：37-38.

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[8]范玉寶，李杰，張曉明，等.基于橢球擬合的微慣性測量組合現(xiàn)場快速標(biāo)定方法 [J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（11）：1548-1550.

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[10]Li Q，Griffiths J G.Least squares ellipsoid specific fitting[C]∥ProceedingsoftheGeometricModelingand Processing，2004：335-340.

Field calibration of MIMU based on ellipsoid hypothesis

ZHAI Zixiong，ZHANG Pizhuang，ZHANG Yulin
（Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Whether a measurement unit in MIMU is measured accurately can directly affect the attitude calculation of an attitude testing system.So，it is important to calibrate the measurement units quickly and accurately.A MIMU field fast calibration method has hence been proposed based on ellipsoid hypothesis and a fixed value-three axis measurement mode data in any static position.In line with the analytical results of a MIMU error model，all the calibration parameters wereobtainedviaellipsoidfittingofthemeasurementdataacquiredindifferentpostures. Experimental results show that this simple and rapid field calibration method can be used in the environment without precision calibration to improve the MIMU accuracy by 3 magnitudes，thus satisfying the accuracy requirement of navigation calculation.

ellipsoid hypothesis；MIMU；field calibration；zero bias；sensitivity；non-orthogonal

A

1674-5124（2015）12-0025-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.007

2015-04-15；

2015-06-03

翟子雄（1990-），男，山西太原市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閼T性導(dǎo)航技術(shù)、信號與處理。