全温一体化惯性测量单元标定方法
全温一体化惯性测量单元标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种全温一体化惯性测量单元标定方法。
【背景技术】
[0002] 随着惯性导航的发展，惯性测量单元（简称IMU)在军事和民用定位中得到了日渐 广泛的应用。温度影响是MU的研制工作中的一个重要问题。IMU受到温度影响表现在两 个阶段：一是系统刚开机时系统达到热平衡之前，这阶段的温度补偿工作一方面要缩短系 统的预热时间，实现快速启动，另一方面要保证良好的开机重复性；另一阶段是系统运行过 程中的温度变化，在这阶段中温度补偿工作主要是修正系统的温度漂移，提高系统精度。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种全温一体化惯性 测量单元标定方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：全温一体化惯性测量单元标定方 法，所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，包括以下步骤：
[0005] 1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元 某一温度点的误差模型；
[0006] 具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系，设定 正交的坐标系b系的oxb轴与x加速度计的输入轴oxa相同，并且oyb轴在x加速度计的输 入轴ox#y加速度计的输入轴oy3所确定的平面xaya内；这样，oyb轴可通过在xaya平面 内转动一小角度来确定，ozb轴可通过先绕0Xb轴转动一小角度，再绕oyb轴转动一小角度来 确定；从而可知，oxJPoyb轴，ox3和ozb轴，oy3和ozb轴之间为直角；
[0007] 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：
[0009] 式中，f/；Z)(/ =x，_y，2)表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，KaI 表示加速度计的零位，KaII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数Kayx、Kazx、Kazy 表示加速度计的安装误差系数；
[0010] 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：
[0012] 式中，却：U/=W)表示陀螺仪的测量误差，64表示陀螺仪的理想值，DgI表示 陀螺仪的常值漂移，EgII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、Egzx、Egzy表示陀螺仪的安装误差系数；
[0013] 2)依据惯性测量单元某一温度点的误差模型使用自动控制系统，按规定速率转动 或静止双轴温控转台，并记录MU输出原始观测量；具体如下：
[0014] 2. 1)将MU按方法说明书安装于双轴温控转台内；
[0015] 2. 2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电；
[0016] 2. 3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数：
[0017] (1)加速度计的零位KaI;
[0018] ⑵加速度计的标度因数KaII;
[0019] (3)加速度计的安装误差系数Kayx、Kazx、Kazy;
[0020] ⑷陀螺的常值漂移DgI;
[0021] (5)陀螺的标度因数EgII;
[0022] (6)陀螺的安装误差系数Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、Egzx、Egzy。
[0023] 2. 4)建立定温度点误差模型，将MU断电；
[0024] 2. 5)重复步骤2. 2)至2. 4)直至各温度点模型建立完毕；
[0025] 3)根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；
[0026] 4)误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；
[0027] 5)精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精 度。
[0028] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0030]
[0031] 本发明产生的有益效果是：本发明方法采用软件控制双轴温控转台，从而减少人 为参与误差测量更准确，并降低人力成本。
【附图说明】
[0032] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0033] 图1是本发明实施例的方法流程图；
[0034] 图2是本发明实施例的转台标定流程图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0036] 如图1所示，本发明方法依据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来 源，利用高精度双轴温控转台对误差进行精确标定，提出温度补偿方案，标定方法流程见图 1〇
[0037] (1)依据器件原理，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；
[0038] MU系统主要由三个陀螺仪和三个加速度计组成。
[0039] 由于惯性仪表安装存在误差，加速度计输入轴坐标系a系和陀螺仪输入轴坐标系 g系均不是正交坐标系。为了减少误差参数，假定正交的坐标系b系的oxb轴与x加速度计 的输入轴〇xa相同，并且oyb轴在x加速度计的输入轴ox3和y加速度计的输入轴oya所确 定的平面xaya内。这样，oyb轴可通过在xaya平面内转动一小角度来确定，ozb轴可通过先 绕oxb轴转动一小角度，再绕oyb轴转动一小角度来确定。从而可知，ox3和oyb轴，ox3和 ozb轴，oy3和ozb轴之间为直角。
[0040] 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：
[0042] 式中，= 表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，KaI表 示加速度计的零位，KaII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的 安装误差系数。
[0043] 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：
[0045] 式中，=x，_y,Z)表示陀螺仪的测量误差，64表示陀螺仪的理想值，DgI表示 陀螺仪的常值漂移，EgII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差 系数。
[0046] (2)误差标定
[0047] 依据误差模型，利用软件控制双轴温控转台，对惯性测量单元的误差进行全温的 精确标定，标定流程如图2所示。
[0048] (3)依据标定方法，建立误差模型
[0049] 依据惯性测量单元的器件原理和测试方法，建立全温范围内的误差补偿模型。
[0050] ⑷误差补偿
[0051] 依据步骤（3)建立的误差模型，对惯性测量单元的补偿进行补偿。
[0052] (5)精度验证
[0053] 依据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。
[0054] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0055] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0057]
[0058] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 全温一体化惯性测量单元标定方法，所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加 速度计，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一 温度点的误差模型； 具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系，设定正交 的坐标系b系的oxb轴与X加速度计的输入轴ox a相同，并且oy b轴在X加速度计的输入轴 oxjR y加速度计的输入轴OyJ5Zf确定的平面X aya内；这样，〇yb轴可通过在X aya平面内转动 一小角度来确定，〇zb轴可通过先绕ox b轴转动一小角度，再绕〇y b轴转动一小角度来确定； 从而可知，oxdP 〇y b轴，ox JP oz b轴，〇y 3和oz b轴之间为直角； 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：(1) 式中，z)表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，Kal表示 加速度计的零位，Kall表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的安 装误差系数； 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：(2) 式中，表示陀螺仪的测量误差，》i/表示陀螺仪的理想值，Dgl表示陀螺 仪的常值漂移，Egn表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差系 数； 2) 依据惯性测量单元某一温度点的误差模型，按规定速率转动或静止双轴温控转台， 并记录IMU输出原始观测量，对惯性测量单元的误差进行全温的精确标定；具体如下： 2. 1)将IMU按方法说明书安装于双轴温控转台内； 2. 2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电； 2. 3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数： (1) 加速度计的零位Kal; (2) 加速度计的标度因数Kall; (3) 加速度计的安装误差系数Kayx、Kazx、Kazy; (4) 陀螺的常值漂移Dgl; (5) 陀螺的标度因数Egn; (6) 陀螺的安装误差系数 Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、E gzx、Egzy。 2. 4)建立定温度点误差模型，将MU断电； 2. 5)重复步骤2. 2)至2. 4)直至各温度点模型建立完毕； 3) 根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型； 4) 误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿。 5) 精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。
【专利摘要】本发明公开了一种全温一体化惯性测量单元标定方法,所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，该方法包括以下步骤:（1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；（2）将IMU按方法说明书安装于双轴温箱内；（3）根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；（4)误差补偿：根据步骤3）建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；（5）精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。本发明方法提出了全温补偿模型,从而能提高惯性测量单元的测量精度。
【IPC分类】G01C25/00
【公开号】CN104897171
【申请号】CN201510306887
【发明人】刘建
【申请人】立得空间信息技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种全温一体化惯性测量单元标定方法。
【背景技术】
[0002] 随着惯性导航的发展，惯性测量单元（简称IMU)在军事和民用定位中得到了日渐 广泛的应用。温度影响是MU的研制工作中的一个重要问题。IMU受到温度影响表现在两 个阶段：一是系统刚开机时系统达到热平衡之前，这阶段的温度补偿工作一方面要缩短系 统的预热时间，实现快速启动，另一方面要保证良好的开机重复性；另一阶段是系统运行过 程中的温度变化，在这阶段中温度补偿工作主要是修正系统的温度漂移，提高系统精度。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种全温一体化惯性 测量单元标定方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：全温一体化惯性测量单元标定方 法，所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，包括以下步骤：
[0005] 1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元 某一温度点的误差模型；
[0006] 具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系，设定 正交的坐标系b系的oxb轴与x加速度计的输入轴oxa相同，并且oyb轴在x加速度计的输 入轴ox#y加速度计的输入轴oy3所确定的平面xaya内；这样，oyb轴可通过在xaya平面 内转动一小角度来确定，ozb轴可通过先绕0Xb轴转动一小角度，再绕oyb轴转动一小角度来 确定；从而可知，oxJPoyb轴，ox3和ozb轴，oy3和ozb轴之间为直角；
[0007] 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：
[0009] 式中，f/；Z)(/ =x，_y，2)表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，KaI 表示加速度计的零位，KaII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数Kayx、Kazx、Kazy 表示加速度计的安装误差系数；
[0010] 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：
[0012] 式中，却：U/=W)表示陀螺仪的测量误差，64表示陀螺仪的理想值，DgI表示 陀螺仪的常值漂移，EgII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、Egzx、Egzy表示陀螺仪的安装误差系数；
[0013] 2)依据惯性测量单元某一温度点的误差模型使用自动控制系统，按规定速率转动 或静止双轴温控转台，并记录MU输出原始观测量；具体如下：
[0014] 2. 1)将MU按方法说明书安装于双轴温控转台内；
[0015] 2. 2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电；
[0016] 2. 3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数：
[0017] (1)加速度计的零位KaI;
[0018] ⑵加速度计的标度因数KaII;
[0019] (3)加速度计的安装误差系数Kayx、Kazx、Kazy;
[0020] ⑷陀螺的常值漂移DgI;
[0021] (5)陀螺的标度因数EgII;
[0022] (6)陀螺的安装误差系数Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、Egzx、Egzy。
[0023] 2. 4)建立定温度点误差模型，将MU断电；
[0024] 2. 5)重复步骤2. 2)至2. 4)直至各温度点模型建立完毕；
[0025] 3)根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；
[0026] 4)误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；
[0027] 5)精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精 度。
[0028] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0030]
[0031] 本发明产生的有益效果是：本发明方法采用软件控制双轴温控转台，从而减少人 为参与误差测量更准确，并降低人力成本。
【附图说明】
[0032] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0033] 图1是本发明实施例的方法流程图；
[0034] 图2是本发明实施例的转台标定流程图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0036] 如图1所示，本发明方法依据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来 源，利用高精度双轴温控转台对误差进行精确标定，提出温度补偿方案，标定方法流程见图 1〇
[0037] (1)依据器件原理，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；
[0038] MU系统主要由三个陀螺仪和三个加速度计组成。
[0039] 由于惯性仪表安装存在误差，加速度计输入轴坐标系a系和陀螺仪输入轴坐标系 g系均不是正交坐标系。为了减少误差参数，假定正交的坐标系b系的oxb轴与x加速度计 的输入轴〇xa相同，并且oyb轴在x加速度计的输入轴ox3和y加速度计的输入轴oya所确 定的平面xaya内。这样，oyb轴可通过在xaya平面内转动一小角度来确定，ozb轴可通过先 绕oxb轴转动一小角度，再绕oyb轴转动一小角度来确定。从而可知，ox3和oyb轴，ox3和 ozb轴，oy3和ozb轴之间为直角。
[0040] 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：
[0042] 式中，= 表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，KaI表 示加速度计的零位，KaII表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的 安装误差系数。
[0043] 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：
[0045] 式中，=x，_y,Z)表示陀螺仪的测量误差，64表示陀螺仪的理想值，DgI表示 陀螺仪的常值漂移，EgII表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差 系数。
[0046] (2)误差标定
[0047] 依据误差模型，利用软件控制双轴温控转台，对惯性测量单元的误差进行全温的 精确标定，标定流程如图2所示。
[0048] (3)依据标定方法，建立误差模型
[0049] 依据惯性测量单元的器件原理和测试方法，建立全温范围内的误差补偿模型。
[0050] ⑷误差补偿
[0051] 依据步骤（3)建立的误差模型，对惯性测量单元的补偿进行补偿。
[0052] (5)精度验证
[0053] 依据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。
[0054] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0055] 采用本方法对IMU进行标定后，陀螺和加速度计精度如下表所示：
[0057]
[0058] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 全温一体化惯性测量单元标定方法，所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加 速度计，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一 温度点的误差模型； 具体如下：记加速度计输入轴坐标系为a系和陀螺仪输入轴坐标系为g系，设定正交 的坐标系b系的oxb轴与X加速度计的输入轴ox a相同，并且oy b轴在X加速度计的输入轴 oxjR y加速度计的输入轴OyJ5Zf确定的平面X aya内；这样，〇yb轴可通过在X aya平面内转动 一小角度来确定，〇zb轴可通过先绕ox b轴转动一小角度，再绕〇y b轴转动一小角度来确定； 从而可知，oxdP 〇y b轴，ox JP oz b轴，〇y 3和oz b轴之间为直角； 因此，可以在b系中建立加速度计的误差模型为：(1) 式中，z)表示加速度计的测量误差，//表示加速度计的理想值，Kal表示 加速度计的零位，Kall表示加速度计的标度因数误差，剩余3个误差参数表示加速度计的安 装误差系数； 同理，可以在b系中建立陀螺仪的误差模型为：(2) 式中，表示陀螺仪的测量误差，》i/表示陀螺仪的理想值，Dgl表示陀螺 仪的常值漂移，Egn表示陀螺仪的标度因数误差，剩余6个参数表示陀螺仪的安装误差系 数； 2) 依据惯性测量单元某一温度点的误差模型，按规定速率转动或静止双轴温控转台， 并记录IMU输出原始观测量，对惯性测量单元的误差进行全温的精确标定；具体如下： 2. 1)将IMU按方法说明书安装于双轴温控转台内； 2. 2)设定温箱的温度温箱温度稳定达到1小时，将IMU通电； 2. 3)进行陀螺和加速度计误差测量，确定模型中的参数： (1) 加速度计的零位Kal; (2) 加速度计的标度因数Kall; (3) 加速度计的安装误差系数Kayx、Kazx、Kazy; (4) 陀螺的常值漂移Dgl; (5) 陀螺的标度因数Egn; (6) 陀螺的安装误差系数 Egxy、Egxz、Egyx、Egyz、E gzx、Egzy。 2. 4)建立定温度点误差模型，将MU断电； 2. 5)重复步骤2. 2)至2. 4)直至各温度点模型建立完毕； 3) 根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型； 4) 误差补偿：根据步骤3)建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿。 5) 精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。
【专利摘要】本发明公开了一种全温一体化惯性测量单元标定方法,所述惯性测量单元包括三个陀螺仪和三个加速度计，该方法包括以下步骤:（1)根据惯性测量单元陀螺和加速度计的工作原理和误差来源，建立惯性测量单元某一温度点的误差模型；（2）将IMU按方法说明书安装于双轴温箱内；（3）根据标定获得的各温度点模型建立惯性测量单元全温范围内的误差模型；（4)误差补偿：根据步骤3）建立的误差模型，对惯性测量单元的误差进行补偿；（5）精度验证：根据误差模型，对采集数据进行补偿，估计惯性测量单元的测量精度。本发明方法提出了全温补偿模型,从而能提高惯性测量单元的测量精度。
【IPC分类】G01C25/00
【公开号】CN104897171
【申请号】CN201510306887
【发明人】刘建
【申请人】立得空间信息技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日
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