專利名稱：一種捷聯(lián)mems慣性測量單元及安裝誤差標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性測量單元的設(shè)計與集成技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于微小型MEMS慣性傳感器的新構(gòu)型的捷聯(lián)微型慣性測量單元及其微慣性傳感器非正交誤差的標(biāo)定的方法。
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)的快速發(fā)展大大促進了微慣性傳感器技術(shù)的進步和微小型慣性敏感器在航空、航天、汽車等工業(yè)的應(yīng)用。目前，微小型慣性傳感器集成為微慣性測量單元通常有三類構(gòu)型，第一由三個相互正交的MEMS陀螺儀和三個相互正交的MEMS加速度計構(gòu)成，測量載體的角速度和線加速度，這是最常用的一種方式；第二，由4、5或6個陀螺和加速度計，按非正交的方式，各敏感軸按一定的夾角構(gòu)成余度慣性測量單元，這種余度配置的慣性測量單元存在冗余的傳感器，可靠性高；第三，由6個或9個部分正交和部分平行的加速度計構(gòu)成無陀螺的慣性測量單元，利用測量軸不過測量坐標(biāo)系原點的加速度計測得的線加速度，轉(zhuǎn)換為角加速度，再通過對角加速度積分，計算得到角速度，這一通過積分運算得到的角速度的較用MEMS陀螺直接測量的角速度漂移大，穩(wěn)定性差，噪聲特性更加復(fù)雜。
MEMS慣性傳感器的體積小，構(gòu)成慣性測量單元時集成工藝精度低，對慣性測量單元中傳感器的集成安裝誤差的標(biāo)定和補償是微慣性測量單元應(yīng)用時的重要步驟，微慣性測量單元中加速度計測量軸安裝誤差可以以重力矢量采用多位置法在位置轉(zhuǎn)臺上進行標(biāo)定，然而，微慣性測量單元中的陀螺儀的標(biāo)定則需要利用電動角速度轉(zhuǎn)臺，標(biāo)定過程復(fù)雜，對設(shè)備要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種不需要電動角速度轉(zhuǎn)臺，只需一臺角位置轉(zhuǎn)臺且穩(wěn)定性好的捷聯(lián)MEMS慣性測量單元，并基于這種捷聯(lián)MEMS慣性測量單元中微慣性傳感器的配置特點，提出一種標(biāo)定過程簡單、便捷的安裝誤差的標(biāo)定方法。
一、捷聯(lián)MEMS慣性測量單元一種捷聯(lián)MEMS慣性測量單元，其特征在于包括x軸測量模塊，y軸測量模塊和z軸測量模塊，所述x軸測量模塊由x軸陀螺儀和YZ雙軸加速度計構(gòu)成，所述y軸測量模塊由y軸陀螺儀和ZX雙軸加速度計構(gòu)成，所述z軸測量模塊由z軸陀螺儀和XY雙軸加速度計構(gòu)成，上述陀螺儀和加速度計均分別連于模擬信號單片機采集與處理電路，該模擬信號單片機采集與處理電路的輸出信號經(jīng)輸出接口連于外部導(dǎo)航計算機或數(shù)據(jù)記錄裝置。雙軸陀螺儀的敏感軸垂直于主平面，上述三個雙軸加速度計的每個加速度計芯片內(nèi)集成了兩個測量軸相互正交的加速度計。捷聯(lián)MEMS慣性測量單元實現(xiàn)對三維角速度和三維線加速度的測量。
捷聯(lián)MEMS慣性測量單元中，集成了十二通道模擬電壓信號單片機采集和處理電路，采集MEMS陀螺和MEMS加速度計輸出的信號，通過RS232串口將采集到的信號輸出。此外與外部的接口中還包含向微慣性測量單元供電的電源線。
二、捷聯(lián)MEMS慣性測量單元的安裝誤差標(biāo)定方法捷聯(lián)MEMS慣性測量單元中模塊之間應(yīng)完全正交，但由于集成工藝誤差，三個模塊之間存在非正交誤差即為微慣性單元內(nèi)的安裝誤差，本方法的目的是實現(xiàn)對此安裝誤差進行標(biāo)定。
針對本發(fā)明所設(shè)計的捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元的構(gòu)型特點，提出了基于重力參考矢量對其中的MEMS加速度計和MEMS陀螺儀安裝誤差的標(biāo)定的方法，該方法在首先利用角位置轉(zhuǎn)臺對MEMS加速度計零偏進行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，利用已標(biāo)定過的同一安裝平面內(nèi)的兩個加速度計測量矢量的叉積矢量的方向代替MEMS陀螺的敏感軸方向，利用兩軸或三軸角位置轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)對MEMS-IMU中MEMS陀螺儀安裝誤差的標(biāo)定。標(biāo)定方法的具體步驟如下(a)加速度計的零偏電壓標(biāo)定步驟，將捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元置于角位置轉(zhuǎn)臺上，調(diào)整角位置轉(zhuǎn)臺，至敏感重力加速度的加速度計輸出值至最大，記為Vmax，將微慣性測量單元翻轉(zhuǎn)，調(diào)整角位置轉(zhuǎn)臺，至反向敏感重力加速度的加速度計輸出值至最小，記為Vmin，從而，得到零偏電壓Vbias=Vmax+Vmin2;]]>(b)按步驟(a)，依次標(biāo)定YZ雙軸、ZX雙軸和XY雙軸的三個“雙軸”加速度計的零偏電壓；(c)采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出信號步驟，該步驟分為以下子步驟①角位置轉(zhuǎn)臺水平，將捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元置于角位置轉(zhuǎn)臺上，使捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元的x、y、z軸與角位置轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動軸重合，采集微慣性單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；②角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；③角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；
④角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸轉(zhuǎn)θ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑤轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-θ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑥角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑦角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑧角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸-θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑨角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸-θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；上述γ1角，θ1角，γ2角，θ2角，均大于等于20度，小于等于75度，-γ1角，θ2角，-γ2角，-θ2角均大于等于-75度，小于等于-20度；上述三個角速度分別是繞x軸的角速度ωx，繞y軸的角速度ωy，繞z軸的角速度ωz，六個線加速度分別是x軸向的二個加速度fMy_ax和fMz_ax，y軸向的二個加速度fMz_ay和fMx_ay，z軸向的二個加速度fMx_az和fMy_az；(d)加速度計安裝誤差的標(biāo)定步驟，在步驟(c)中采集得到的9組六個線加速度信號中，從每組信號取其中的三個相互正交線的加速度信號，如fMz_ax，fMz_ay和fMx_az，扣除根據(jù)步驟(a)和(b)所得的零偏電壓后，組成3×9維的加速度計測量值矩陣Am，Am=fMz_ax_1fMz_ax_2fMx_ax_9fMz_ay_1fMz_ax_2···fMz_ax_9-fMx_az_1-fMx_az_2-fMx_az_93×9,]]>步驟(c)信號采集過程中，第i組角位置轉(zhuǎn)臺姿態(tài)γi，θi下，加速度計敏感到重力加速度，理想的輸出值為fi=fixfiyfiz=sinθi-cosθisinγi-cosθicosγig,]]>其中γi的數(shù)值等于γ1和-γ1，γ2和-γ2，θi的數(shù)值等于θ1和-θ1，θ2和-θ2，g為重力加速度，9組加速度計理想的輸出值構(gòu)成理想測量值矩陣LA=f1xf2xf9xf1yf2y···f9yf1yf2yf9y,]]>設(shè)加速度計的安裝誤差矩陣為MA，則可按最小二乘關(guān)系MA=LA·Am+=LA·Am(AmAmT)-1]]>求得MA；MEMS陀螺儀安裝誤差的標(biāo)定步驟，在步驟(c)中采集得到的第2-9組中，對應(yīng)每組采集到的信號，將其在xyz坐標(biāo)系下的分解寫為矢量形式，作如下叉乘運算ωx＝fMx_az×fMx_ay，ωy＝fMy_az×fMy_ax，ωz＝fMz_ax×fMz_ay，則ωx，ωy，ωz分別代表由平面內(nèi)的“雙軸”加速度計確定的該平面內(nèi)的MEMS陀螺儀的敏感軸的方向，用向量的形式表示為ωm＝[ωxωyωz]T，設(shè)在編號i＝2，3，…，9的角位置上，重力加速度g計在機體系下的投影為fib=sθi-cθisγi-cθicγig,]]>其中，c表示余弦，s表示正弦，故通過加速度計測量值得到的陀螺儀敏感軸方向向量的理想值為ω‾Ti=ωxiωyiωzi=fyibfzibfxibfzibfyibfxib=g2c2θisγicγi-sθicθicγi-sθicθisγi,]]>設(shè)捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元中，MEMS陀螺儀的安裝誤差矩陣為MG，則由步驟(c)采集數(shù)據(jù)的過程，可以得到測量值矩陣Ωm=ωx2ωxiωxnωy2···ωyi···ωxnωz2ωziωxnm,]]>每個測量位置對應(yīng)的理想值矩陣為ΩL=g2MG·c2θ2sγ2cγ2c2θisγicγic2θnsγncγn-sθ2cθ2cγ2···-sθicθicγi···-sθncθncγn-sθ2cθ2sγ2-sθicθisγi-sθncθnsγn,]]>根據(jù)最小二乘關(guān)系MG=ΩL·Ωm+=ΩL·ΩmT(Ωm·ΩmT)-1]]>得到MEMS陀螺儀安裝誤差矩陣MG。


圖1捷聯(lián)MEMS慣性測量單元的組成框2捷聯(lián)MEMS慣性測量單元傳感器測量軸空間分布關(guān)系圖具體實施方式
本發(fā)明的捷聯(lián)MEMS慣性測量單元的組成如圖1，由三個MEMS陀螺儀和三個“雙軸”MEMS加速度計構(gòu)成，一個MEMS陀螺儀和一個“雙軸”加速度計首先通過焊接的方式，焊接在事先所設(shè)計的電路板上，構(gòu)成測量模塊1，2和3，三個測量模塊通過五個“銷孔”按正交的方式集成，實現(xiàn)對三維角速度和三維線速度的測量。
三個單軸陀螺采用Z軸MEMS陀螺，陀螺儀的敏感軸垂直于陀螺的主平面。三個“雙軸”加速度計中，每個加速度計芯片內(nèi)集成了兩個測量軸相互正交的加速度計，測量加速度計芯片主平面內(nèi)比力的兩個線加速度分量，三個“雙軸”加速度計測量信息相當(dāng)于六個單軸加速度計分成三組，每組的兩個加速度計測量軸相互垂直安裝的測量效果。
捷聯(lián)MEMS慣性測量單元中，集成了十二通道模擬電壓信號單片機采集電路4，采集MEMS陀螺和MEMS加速度計輸出的信號，通過接口5中的RS232串口將采集到的信號輸出。此外接口5中包含向捷聯(lián)MEMS慣性測量單元供電的電源線。其中的慣性傳感器的測量的空間角速度和線加速度測量軸的空間分布關(guān)系如圖2所示。
一種捷聯(lián)MEMS慣性測量單元安裝誤差標(biāo)定方法，詳細(xì)步驟如發(fā)明內(nèi)容中所述。
采用本發(fā)明，主要有以下明顯的效果(1)通過角位置轉(zhuǎn)臺可實現(xiàn)對捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元中的加速度計和陀螺儀安裝誤差的同時標(biāo)定，不再需要電動角速度轉(zhuǎn)臺，且多位置轉(zhuǎn)臺實驗只需進行一次，較常規(guī)結(jié)構(gòu)配置的慣性測量單元的先用角位置標(biāo)定加速度計安裝誤差，再用角速率轉(zhuǎn)臺標(biāo)定MEMS陀螺儀安裝誤差的方法，顯著提高了安裝誤差標(biāo)定過程的便捷性；(2)捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元及其中的慣性傳感器安裝誤差的標(biāo)定方法，只需要一臺角位置轉(zhuǎn)臺，較常規(guī)結(jié)構(gòu)配置的慣性測量單元需要角位置和角速率轉(zhuǎn)臺相比，對實驗設(shè)備的要求降低；(3)需要特別說明的是本發(fā)明中的捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元雖然較常規(guī)結(jié)構(gòu)配置的慣性測量單元中多使用了三個加速度計，對于使用“雙軸”MEMS加速度計構(gòu)成的常規(guī)布局的慣性測量單元而言，本發(fā)明僅多使用了一個“雙軸”MEMS加速度計，“雙軸”MEMS加速度計的成本非常低，在整個系統(tǒng)中所占比重非常小，故本發(fā)明所多使用的器件造成微慣性測量單元的成本的增加可以忽略不計。
權(quán)利要求
1.一種捷聯(lián)MEMS慣性測量單元，其特征在于包括x軸測量模塊，y軸測量模塊和z軸測量模塊，所述x軸測量模塊由x軸陀螺儀和YZ雙軸加速度計構(gòu)成，所述y軸測量模塊由y軸陀螺儀和ZX雙軸加速度計構(gòu)成，所述z軸測量模塊由z軸陀螺儀和XY雙軸加速度計構(gòu)成，上述陀螺儀和加速度計均分別連于模擬信號單片機采集與處理電路，該模擬信號單片機采集與處理電路的輸出信號經(jīng)輸出接口連于外部導(dǎo)航計算機或數(shù)據(jù)記錄裝置，雙軸陀螺儀的敏感軸垂直于主平面，上述三個雙軸加速度計的每個加速度計芯片內(nèi)集成了兩個測量軸相互正交的加速度計。
2.一種如權(quán)利要求1所述的捷聯(lián)MEMS慣性測量單元的安裝誤差標(biāo)定方法，其特征在于該標(biāo)定方法的具體步驟如下(a)加速度計的零偏電壓標(biāo)定步驟，將捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元置于角位置轉(zhuǎn)臺上，調(diào)整角位置轉(zhuǎn)臺，至敏感重力加速度的加速度計輸出值至最大，記為Vmax，將微慣性測量單元翻轉(zhuǎn)，調(diào)整角位置轉(zhuǎn)臺，至反向敏感重力加速度的加速度計輸出值至最小，記為Vmin，從而，得到零偏電壓Vbias=Vmax+Vmin2;]]>(b)按步驟(a)，依次標(biāo)定YZ雙軸、ZX雙軸和XY雙軸的三個“雙軸”加速度計的零偏電壓；(c)采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出信號步驟，該步驟分為以下子步驟①角位置轉(zhuǎn)臺水平，將捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元置于角位置轉(zhuǎn)臺上，使捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元的x、y、z軸與角位置轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動軸重合，采集微慣性單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；②角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；③角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；④角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸轉(zhuǎn)θ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑤轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-θ1角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑥角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑦角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑧角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸-θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；⑨角位置轉(zhuǎn)臺繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元x軸轉(zhuǎn)-γ2角，繞捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元y軸-θ2角，采集捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元輸出的三個角速度信號與六個線加速度信號；上述γ1角，θ1角，γ2角，θ2角，均大于等于20度，小于等于75度，-γ1角，θ2角，-γ2角，-θ2角均大于等于-75度，小于等于-20度；上述三個角速度分別是繞x軸的角速度ωx，繞y軸的角速度ωy，繞z軸的角速度ωz，六個線加速度分別是x軸向的二個加速度fMy_ax和fMz_ax，y軸向的二個加速度fMz_ay和fMx_ay，z軸向的二個加速度fMx_az和fMy_az；(d)加速度計安裝誤差的標(biāo)定步驟，在步驟(c)中采集得到的9組六個線加速度信號中，從每組信號取其中的三個相互正交線的加速度信號，如fMz_ax，fMz_ay和fMx_az，扣除根據(jù)步驟(a)和(b)所得的零偏電壓后，組成3×9維的加速度計測量值矩陣Am，Am=fMz_ax_1fMz_ax_2fMz_ax_9fMz_ay_1fMz_ax_2···fMz_ax_9-fMx_az_1-fMx_az_2-fMx_az_93×9,]]>步驟(c)信號采集過程中，第i組角位置轉(zhuǎn)臺姿態(tài)γi，θi下，加速度計敏感到重力加速度，理想的輸出值為fi=fixfiyfiz=sinθi-cosθisinγi-cosθicosγig,]]>其中γi的數(shù)值等于γ1和-γ1，γ2和-γ2，θi的數(shù)值等于θ1和-θ1，θ2和-θ2，g為重力加速度，9組加速度計理想的輸出值構(gòu)成理想測量值矩陣LA=f1xf2xf9xf1yf2y···f9yf1yf2yf9y,]]>設(shè)加速度計的安裝誤差矩陣為MA，則可按最小二乘關(guān)系MA=LA·Am+=LA·Am(AmAmT)-1]]>求得MA；(e)MEMS陀螺儀安裝誤差的標(biāo)定步驟，在步驟(c)中采集得到的第2-9組中，對應(yīng)每組采集到的信號，將其在xyz坐標(biāo)系下的分解寫為矢量形式，作如下叉乘運算ωx＝fMx_az×fMx_ay，ωy＝fMy_az×fMy_ax，ωz＝fMz_az×fMz_ay，則ωx，ωy，ωz分別代表由平面內(nèi)的“雙軸”加速度計確定的該平面內(nèi)的MEMS陀螺儀的敏感軸的方向，用向量的形式表示為ωm＝[ωxωyωz]T，設(shè)在編號i＝2，3，…，9的角位置上，重力加速度g計在機體系下的投影為fib=sθi-cθisγi-cθicγig,]]>其中，c表示余弦，s表示正弦，故通過加速度計測量值得到的陀螺儀敏感軸方向向量的理想值為ω‾Ti=ωxiωyiωzi=fyibfzibfxibfzibfyibfxib=g2c2θisγicγi-sθicθicγi-sθicθisγi,]]>設(shè)捷聯(lián)MEMS微慣性測量單元中，MEMS陀螺儀的安裝誤差矩陣為MG，則由步驟(c)采集數(shù)據(jù)的過程，可以得到測量值矩陣Ωm=ωx2ωxiωxnωy2···ωyi···ωxnωz2ωziωxnm,]]>每個測量位置對應(yīng)的理想值矩陣為ΩL=g2MG·c2θ2sγ2cγ2c2θisγicγic2θnsγncγn-sθ2cθ2cγ2···-sθicθicγi···-sθncθncγn-sθ2cθ2sγ2-sθicθisγi-sθncθnsγn,]]>根據(jù)最小二乘關(guān)系MG=ΩL·Ωm+=ΩL·ΩmT(Ωm·ΩmT)-1]]>得到MEMS陀螺儀安裝誤差矩陣MG。
全文摘要
一種捷聯(lián)MEMS慣性測量單元及安裝誤差標(biāo)定方法，屬慣性測量單元及安裝誤差標(biāo)定方法，該捷聯(lián)MEMS慣性測量單元包括分別由陀螺儀和雙軸加速度計構(gòu)成的x軸、y軸和z軸的三個測量模塊及模擬信號單片機采集和處理電路。所述安裝誤差標(biāo)定方法，包括加速度計的零偏電壓標(biāo)定；采集捷聯(lián)MEMS慣性測量單元的輸出信號；加速度計安裝誤差標(biāo)定方法；MEMS陀螺儀安裝誤差的標(biāo)定方法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要電動角速度轉(zhuǎn)臺，只需一臺位置轉(zhuǎn)臺，簡化了設(shè)備，提高了安裝誤差標(biāo)定過程中的便捷性，主要應(yīng)用于航空、航天及汽車等工業(yè)領(lǐng)域。
文檔編號G01M1/00GK101059384SQ20071002244
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者劉建業(yè), 李榮冰, 孫永榮, 曾慶化, 趙偉, 賴際舟, 熊智, 華冰 申請人:南京航空航天大學(xué)