一種新型mems慣性傳感器陣列余度配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種新型MEMS慣性傳感器陣列余度配置方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著MEMS慣性技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，MEMS慣性測(cè)量單元以體積小、易集 成、成本低等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于車船、無人機(jī)等領(lǐng)域，為載體實(shí)時(shí)提供載體角速率、加速度、 姿態(tài)、速度和位置等重要狀態(tài)信息。
[0003] 但一般工業(yè)用高性能MEMS慣性測(cè)量單元測(cè)量范圍較小，難以適應(yīng)一些載體在突 發(fā)干擾下的大加速度和大角速率輸入測(cè)量需求，導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò)或性能嚴(yán)重下降，甚至危及 載體及人員安全。而目前市場(chǎng)上的消費(fèi)級(jí)低成本MEMS慣性測(cè)量單元雖然具有小體積、低 功耗、寬量程的特性，但產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品性能無法滿足絕大部分載體的導(dǎo)航需求。針對(duì) 此MEMS慣性測(cè)量單元的工程實(shí)用問題，可以考慮采用陣列余度配置方案，將工業(yè)用高性能 MEMS慣性測(cè)量單元與消費(fèi)級(jí)低成本MEMS慣性測(cè)量單元集成在一起，從而增強(qiáng)MEMS慣性測(cè) 量單元的測(cè)量性能。然而傳統(tǒng)的陣列傳感器配置方法采用的是同一性能等級(jí)甚至同一型號(hào) 傳感器在空間上構(gòu)成多余度配置，通過增加傳感器測(cè)量信息的數(shù)量，經(jīng)過融合信息處理算 法獲得更高的測(cè)量精度和測(cè)量性能。因此為了將工業(yè)用高性能MEMS慣性測(cè)量單元與消費(fèi) 級(jí)低成本MEMS慣性測(cè)量單元這兩類不同性能等級(jí)的慣性傳感器集成在一起，亟需設(shè)計(jì)一 種新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置 方法。
[0005] -種新型MEMS慣性傳感器的陣列余度配置方法，其特征在于，包括：
[0006] 提供第一慣性測(cè)量單元和第二慣性測(cè)量單元；
[0007] 將所述第一慣性測(cè)量單元和所述第二慣性測(cè)量單元以陣列余度配置方式集成安 裝并連接至微處理器；
[0008] 對(duì)集成后的所述第一慣性測(cè)量單元進(jìn)行誤差的標(biāo)定和補(bǔ)償；
[0009] 于所述第一慣性測(cè)量單元的測(cè)量范圍內(nèi)，以第一慣性測(cè)量單元輸出數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì) 所述第二慣性測(cè)量單元誤差進(jìn)行標(biāo)定，將補(bǔ)償后的第二慣性測(cè)量單元與第一慣性測(cè)量單元 輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以提高所述MEMS慣性傳感器的測(cè)量性能。
[0010] 上述新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置方法，其特征在于，所述方法 還包括：
[0011] 利用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)所述第一慣性測(cè)量單元進(jìn)行離線標(biāo)定，并記錄所述第一慣性測(cè)量單元 的零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差；
[0012] 將所述第一慣性測(cè)量單元的零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差存儲(chǔ)至微處理器連 接的存儲(chǔ)單元中，用以對(duì)所述第一慣性測(cè)量單元進(jìn)行誤差修正。
[0013]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置方法，其特征在于，所述方法 還包括：
[0014]采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法以所述誤差補(bǔ)償后的第一慣性測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù)為 基準(zhǔn)對(duì)所第二慣性測(cè)量單元誤差進(jìn)行在線標(biāo)定，并對(duì)所述第二慣性測(cè)量單元進(jìn)行誤差修 正，對(duì)誤差補(bǔ)償和修正后的所述第一慣性測(cè)量單元和第二慣性測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融 合處理。
[0015]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置方法，其特征在于，所述測(cè)量 性能包括零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性、測(cè)量可靠性。
[0016]上述新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配置方法，其特征在于，所述第一 慣性測(cè)量單元的測(cè)量范圍低于所述第二慣性測(cè)量單元，所述第一慣性測(cè)量單元的測(cè)量穩(wěn)定 性、測(cè)量重復(fù)性性能優(yōu)于所述第二慣性測(cè)量單元。
[0017]綜上所述，本發(fā)明公開設(shè)計(jì)的一種新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配 置方法，將不同型號(hào)的慣性測(cè)量單元在傳感器的系統(tǒng)層進(jìn)行余度配置，通過兩個(gè)不同型號(hào) 的慣性測(cè)量單元的性能進(jìn)行互補(bǔ)，經(jīng)過整體的信息融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層的整體性能提升，這樣 可以在幾乎不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下，有效提高融合后的慣性測(cè)量單元的測(cè)量性能和 測(cè)量范圍。
【附圖說明】
[0018]參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，所附附圖僅用于說明和 闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
[0019] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但是不作為本發(fā)明的限 定。
[0022] 本發(fā)明的核心思想是，在采用不同性能的傳感器，且不是在單一的傳感器層進(jìn)行 余度配置，而是在系統(tǒng)層（MU慣性測(cè)量單元），其提高系統(tǒng)性能和精度并非單純通過增加 傳感器測(cè)量信息的數(shù)量實(shí)現(xiàn)，而是通過不同性能傳感器的性能互補(bǔ)特點(diǎn)，經(jīng)過整體的信息 融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層的整體性能提升，整個(gè)系統(tǒng)中是包含一套性能高但測(cè)量范圍較窄的MEMS 慣性測(cè)量單元與一套性能較差但測(cè)量范圍較寬的MEMS慣性測(cè)量單元，經(jīng)過整體信息融合， 可以在幾乎不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下，有效提高集成后IMU的測(cè)量性能和測(cè)量范圍。
[0023] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種新型MEMS慣性傳感器性能增強(qiáng)的陣列余度配 置方法，首先是提供兩個(gè)MEMS慣性測(cè)量單元，分別是性能高但測(cè)量范圍較窄的第一MEMS慣 性測(cè)量單元，性能較差但測(cè)量范圍較寬的第二MEMS慣性測(cè)量單元，然后將第一慣性測(cè)量單 元和第二慣性測(cè)量單元與微處理器連接，對(duì)第一慣性測(cè)量單元和第二慣性測(cè)量單元進(jìn)行誤 差標(biāo)定和補(bǔ)償，將第一慣性測(cè)量單元和第二慣性測(cè)量單元誤差標(biāo)定和補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn) 行融合處理，通過對(duì)外數(shù)據(jù)接口傳輸出去，以提高整個(gè)慣性測(cè)量單元的測(cè)量性能。
[0024] 具體的，先是硬件層的選型和集成：
[0025] -般情況下，選擇高性能窄測(cè)量范圍的第一慣性測(cè)量單元，其主要指標(biāo)是根據(jù)微 機(jī)械測(cè)量傳感器的陀螺儀和加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性決定，一般參考依據(jù)是第 一慣性測(cè)量單元的傳感器的零偏穩(wěn)定性和零偏重復(fù)性指標(biāo)高出第二慣性測(cè)量單元的有關(guān) 指標(biāo)的1〇〇倍，第二慣性測(cè)量單元的測(cè)量范圍應(yīng)在第一慣性測(cè)量單元的測(cè)量范圍的5倍以 上，第二慣性測(cè)量單元的硬件成本應(yīng)在第一慣性測(cè)量單元的成本1/100以下，在此選型基 礎(chǔ)上根據(jù)圖1的框圖進(jìn)行硬件集成。
[0026] 然后就是對(duì)第一慣性測(cè)量單元的誤差標(biāo)定與補(bǔ)償：
[0027] 利用轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備對(duì)集成后的慣性測(cè)量單元硬件進(jìn)行離線標(biāo)定，并記錄第一慣性測(cè)量 單元的傳感器零偏、刻度因子和安裝偏差角誤差，并將該誤差存入處理器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元 中，從而使得標(biāo)定后的慣性測(cè)量單元每次上電工作都可以自動(dòng)利用誤差補(bǔ)償算法對(duì)第一慣 性測(cè)量單元的誤差進(jìn)行修正，從而提高第一慣性測(cè)量單元的系統(tǒng)性能。
[0028] 接著利用修正后的第一慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)對(duì)第二慣性測(cè)量單元進(jìn)行誤差在線標(biāo) 定與補(bǔ)償：
[0029] 由于實(shí)際使用過程中絕大部分時(shí)間第一慣性測(cè)量單元都工作在第一慣性測(cè)量單 元的測(cè)量范圍內(nèi)，而此時(shí)第一慣性測(cè)量單元具有較高的測(cè)量精度，因此，我們可以在第一慣 性測(cè)量單元的工作范圍內(nèi)，使用其數(shù)據(jù)作為測(cè)量基準(zhǔn)，通過在線標(biāo)定算法對(duì)第二慣性測(cè)量 單元的誤差進(jìn)行在線估計(jì)，并利用此誤差和誤差補(bǔ)償算法，提高第二慣性測(cè)量單元的測(cè)量 性能。
[0030] 具體的第二慣性測(cè)量單元誤差參數(shù)在線標(biāo)定與補(bǔ)償方法主要包括如下步驟：
[0031] a、建立即第二慣性測(cè)量單元誤差參數(shù)在線標(biāo)定方法的狀態(tài)估計(jì)方程。其狀態(tài)估計(jì) (i) (2) 與MEMS陀螺儀相關(guān)的狀態(tài)量Xi中的各項(xiàng)分別表示：為第二慣性測(cè)量單元中的 MEMS陀螺儀估計(jì)的投影在第一慣性測(cè)量單元中的MEMS陀螺儀坐標(biāo)系中的三軸陀螺儀數(shù) 據(jù)；[εχ，εy，εJ為第二慣性測(cè)量單元中的MEMS陀螺儀與第一慣性測(cè)量單元中的MEMS陀 螺儀之間的零偏誤差，[0gx，0gy，0gz]為第二慣性測(cè)量單元中的MEMS陀螺儀與第一慣性 測(cè)量單元中的MEMS陀螺儀之間的安裝誤差角；[Kgx，Kgy，Kgz]為第二慣性測(cè)