一种内置MEMS六轴传感器产品的校准方法及校准系统与流程

本发明涉及运动传感器校准技术，具体涉及一种内置MEMS六轴传感器产品的校准方法及校准系统。

背景技术：

随着运动传感器(如加速度计与陀螺仪)技术的快速发展，越来越多的运动传感器应用在电子产品上，传感技术逐渐的改变着产品的形态和设计方法，特别是MEMS传感器的出现，进一步促进了传感器产品的快速发展，几乎涉及到了各行各业，未来的一些智能化产品都离不开MEMS传感器。

MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。如MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪传感器、MEMS地磁传感器等，都在产品上发挥着重要的作用。

由于生产工艺的影响，目前内置六轴MEMS传感器的产品，都会存在零点误差，此误差导致产品的一致性不好，直接影响MEMS传感器在产品上的控制精准性，不能达到对产品动作的精准控制。由于电路设计的以及SMT(表面贴装技术)生产工艺的问题，MEMS传感器在硬件电路上可能会存在芯片贴歪或者芯片稍微翘起存在误差角度等问题，也会导致输出的传感数据存在误差。

基于上述问题，我们提出一种针对内置六轴传感器产品的校准方案，解决零点误差以及后期加工引起的误差问题，实现对产品动作的精准控制。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术中的不足，提供一种内置MEMS六轴传感器产品的校准方法，还提供一种实现该方法的内置MEMS六轴传感器产品的校准系统，以解决产品内置的六轴传感器自身的零点偏移、零点误差问题，同时解决内置六轴传感器的产品，由于后续加工产生的各种固有误差问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种内置MEMS六轴传感器产品的校准方法，其包括以下步骤：

(1)设置测试平台，用于固定被测物；

(2)设置传动装置A，传动装置A上连接有Y轴机构，该Y轴机构在传动装置A控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置A控制下，带动测试平台绕Y轴方向旋转；

(3)设置传动装置B，传动装置B上连接有X轴机构，该X轴机构在传动装置B控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置B控制下，带动测试平台绕X轴方向旋转；

(4)把被测物放置在测试平台上沿着坐标系45°方向，控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；

(5)把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，其中，实际运动轨迹：被测物从A点运动到B点，运动距离为L，坐标系表示为N，实际运动轨迹坐标点为B(x，y2)；理想运动轨迹：被测物从AA点运动到BB点，坐标系表示为M，理想运动轨迹点为BB(x，y1)；

(6)拟合实际运动轨迹坐标系N与理想运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，利用计算误差角度tanβ进行校准补偿，其算法tanβ＝(y2-y1)/(y2+y1)，补偿后的输出结果为(x，yy)，根据上述的角度误差计算方法，假设当前运动轨迹的坐标点为D(x，y)，则补偿后的最优轨迹坐标为DD(x，yy)，补偿后的输出结果，校准过程结束。

作为本发明进一步改进，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)把被测物固定在测试平台上，被测物与测试平台处于同一水平线上，被测物上的传感器的朝向与测试坐标系保持一致；

(4.2)控制传动装置A，使传动装置A上的Y轴机构连接到测试平台上，断开传动装置B上的X轴机构与测试平台的连接；

(4.3)控制传动装置A与测试平台连接固定后静止1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y0(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.4)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y90(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.5)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y180(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.6)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y270(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.7)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，回到初始化位置，控制传动装置B上的X轴机构连接到测试平台上，断开传动装置A上的Y轴机构与测试平台的连接；

(4.8)传动装置B与测试平台连接固定后，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X0(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.9)控制传动装置B绕X轴方向顺时针旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X90(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.10)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X180(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.11)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X270(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)

(4.12)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，回到初始化位置，传感器数据测试结束。

作为本发明进一步改进，各个角度状态下的传感器理论值为：在Y轴方向0角度状态下，传感器的读数为YY0(0，0，1g，0，0，0)，在Y轴方向90角度状态下，传感器的读数为YY90(1g，0，0，0，0，0)，在Y轴方向180角度状态下，传感器的读数为YY180(0，0，-1g，0，0，0)，在Y轴方向270角度状态下，传感器的读数为YY270(-1g，0，0，0，0，0)，在X轴方向0角度状态下，传感器的读数为XX0(0，0，1g，0，0，0)，在X轴方向90角度状态下，传感器的读数为XX90(0，-1g，0，0，0，0)，在X轴方向180角度状态下，传感器的读数为XX180(0，0，-1g，0，0，0)，在X轴方向270角度状态下，传感器的读数为XX270(0，1g，0，0，0，0)。

作为本发明进一步改进，在Y轴方向0角度状态下，误差补偿值计算为：Y0＝YY0-Y0；在Y轴方向90角度状态下，误差补偿值计算为：Y90＝YY90-Y90；在Y轴方向180角度状态下，误差补偿值计算为：Y180＝YY180-Y180；在Y轴方向270角度状态下，误差补偿值计算为：Y270＝YY270-Y270。

作为本发明进一步改进，在X轴方向0角度状态下，误差补偿值计算为：X0＝XX0-X0；在X轴方向90角度状态下，误差补偿值计算为：X90＝XX90-X90；在X轴方向180角度状态下，误差补偿值计算为：X180＝XX180-X180；在X轴方向270角度状态下，误差补偿值计算为：X270＝XX270-X270。

作为本发明进一步改进，将所得的误差补偿值写入产品内部存储器，在产品使用过程中，读取传感器的实时数据，并根据传感器当前的状态，对应误差补偿值进行修正。

一种内置MEMS六轴传感器产品的校准系统，其包括：

测试平台，用于固定被测物；

传动装置A，传动装置A上连接有Y轴机构，该Y轴机构在传动装置A控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置A控制下，带动测试平台绕Y轴方向旋转；

传动装置B，传动装置B上连接有X轴机构，该X轴机构在传动装置B控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置B控制下，带动测试平台绕X轴方向旋转；

把被测物放置在测试平台上沿着坐标系45°方向，控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；

把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，其中，实际运动轨迹：被测物从A点运动到B点，运动距离为L，坐标系表示为N，实际运动轨迹坐标点为B(x，y2)；理想运动轨迹：被测物从AA点运动到BB点，坐标系表示为M，理想运动轨迹点为BB(x，y1)；

拟合实际运动轨迹坐标系N与理想运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，利用计算误差角度tanβ进行校准补偿，其算法tanβ＝(y2-y1)/(y2+y1)，补偿后的输出结果为(x，yy)，根据上述的角度误差计算方法，假设当前运动轨迹的坐标点为D(x，y)，则补偿后的最优轨迹坐标为DD(x，yy)，补偿后的输出结果，校准过程结束。

作为本发明进一步改进，所述被测物与测试平台水平放置，且被测物上的六轴传感器的朝向与测试平台上的测试坐标系保持一致。

作为本发明进一步改进，所述传动装置A上的Y轴机构为伸缩机构。

作为本发明进一步改进，所述传动装置B上的X轴机构为伸缩机构。

本发明的优点在于：提供针对六轴传感器产品的校准方法及系统，包括传动装置A、传动装置B、测试平台三大部分组成；控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，拟合实际状态运动轨迹坐标系N与理想状态运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，计算误差角度tanβ进行校准补偿，补偿后的输出结果，然后把误差补偿数值写入产品内部存储器；在产品使用过程中，读取传感器的实时数据，并根据传感器当前的状态，对应误差补偿值进行修正，实现传感器校准。

本发明采用运动轨迹校准算法和校准系统，解决了六轴传感器自身的零点偏移、零点误差问题；解决了六轴传感器产品由于后续加工产生的各种固有误差问题；进一步提高MEMS传感器在产品运动时的控制精度。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的被测物坐标系示意图；

图3是本发明的被测物实际运动轨迹坐标图；

图4是本发明的被测物理想运动轨迹坐标图；

图5是本发明的被测物实际运动轨迹坐标图与理想运动轨迹坐标图的对比参考图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1至附图5，本实施例提供的针对内置六轴传感器产品的校准方案，重点采用轨迹检测和校准算法，解决零点误差以及后期加工引起的误差问题。

一种内置MEMS六轴传感器产品的校准方法，其包括以下步骤：

(1)设置测试平台，用于固定被测物(即内置MEMS六轴传感器的产品)；

(2)设置传动装置A，传动装置A上连接有Y轴机构，该Y轴机构在传动装置A控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置A控制下，带动测试平台绕Y轴方向旋转；

(3)设置传动装置B，传动装置B上连接有X轴机构，该X轴机构在传动装置B控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置B控制下，带动测试平台绕X轴方向旋转；

(4)把被测物放置在测试平台上沿着坐标系45°方向，控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；

(5)把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，其中，实际运动轨迹：被测物从A点运动到B点，运动距离为L，坐标系表示为N，实际运动轨迹坐标点为B(x，y2)；理想运动轨迹：被测物从AA点运动到BB点，坐标系表示为M，理想运动轨迹点为BB(x，y1)；

(6)拟合实际运动轨迹坐标系N与理想运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，利用计算误差角度tanβ进行校准补偿，其算法tanβ＝(y2-y1)/(y2+y1)，补偿后的输出结果为(x，yy)，根据上述的角度误差计算方法，假设当前运动轨迹的坐标点为D(x，y)，则补偿后的最优轨迹坐标为DD(x，yy)，补偿后的输出结果，校准过程结束。

作为本发明进一步改进，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)把被测物固定在测试平台上，被测物与测试平台处于同一水平线上，被测物上的传感器的朝向与测试坐标系保持一致；

(4.2)控制传动装置A，使传动装置A上的Y轴机构连接到测试平台上，断开传动装置B上的X轴机构与测试平台的连接；

(4.3)控制传动装置A与测试平台连接固定后静止1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y0(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.4)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y90(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.5)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y180(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.6)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为Y270(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.7)控制传动装置A绕Y轴方向顺时针继续旋转90度，回到初始化位置，控制传动装置B上的X轴机构连接到测试平台上，断开传动装置A上的Y轴机构与测试平台的连接；

(4.8)传动装置B与测试平台连接固定后，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X0(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.9)控制传动装置B绕X轴方向顺时针旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X90(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.10)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X180(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)；

(4.11)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，静放1秒，读取当前传感器数据，数据保存为X270(Ax，Ay，Az，Gx，Gy，Gz)

(4.12)控制传动装置B绕X轴方向顺时针继续旋转90度，回到初始化位置，传感器数据测试结束。

作为本发明进一步改进，各个角度状态下的传感器理论值为：在Y轴方向0角度状态下，传感器的读数为YY0(0，0，1g，0，0，0)，在Y轴方向90角度状态下，传感器的读数为YY90(1g，0，0，0，0，0)，在Y轴方向180角度状态下，传感器的读数为YY180(0，0，-1g，0，0，0)，在Y轴方向270角度状态下，传感器的读数为YY270(-1g，0，0，0，0，0)，在X轴方向0角度状态下，传感器的读数为XX0(0，0，1g，0，0，0)，在X轴方向90角度状态下，传感器的读数为XX90(0，-1g，0，0，0，0)，在X轴方向180角度状态下，传感器的读数为XX180(0，0，-1g，0，0，0)，在X轴方向270角度状态下，传感器的读数为XX270(0，1g，0，0，0，0)。

作为本发明进一步改进，在Y轴方向0角度状态下，误差补偿值计算为：Y0＝YY0-Y0；在Y轴方向90角度状态下，误差补偿值计算为：Y90＝YY90-Y90；在Y轴方向180角度状态下，误差补偿值计算为：Y180＝YY180-Y180；在Y轴方向270角度状态下，误差补偿值计算为：Y270＝YY270-Y270。

作为本发明进一步改进，在X轴方向0角度状态下，误差补偿值计算为：X0＝XX0-X0；在X轴方向90角度状态下，误差补偿值计算为：X90＝XX90-X90；在X轴方向180角度状态下，误差补偿值计算为：X180＝XX180-X180；在X轴方向270角度状态下，误差补偿值计算为：X270＝XX270-X270。

作为本发明进一步改进，将所得的误差补偿值写入产品内部存储器，在产品使用过程中，读取传感器的实时数据，并根据传感器当前的状态，对应误差补偿值进行修正。

一种实施上述方法的内置MEMS六轴传感器产品的校准系统，包括：

测试平台，用于固定被测物；

传动装置A，传动装置A上连接有Y轴机构，该Y轴机构在传动装置A控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置A控制下，带动测试平台绕Y轴方向旋转；

传动装置B，传动装置B上连接有X轴机构，该X轴机构在传动装置B控制下连接到测试平台或断开与测试平台的连接，以及在传动装置B控制下，带动测试平台绕X轴方向旋转；

把被测物放置在测试平台上沿着坐标系45°方向，控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；

把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，其中，实际运动轨迹：被测物从A点运动到B点，运动距离为L，坐标系表示为N，实际运动轨迹坐标点为B(x，y2)；理想运动轨迹：被测物从AA点运动到BB点，坐标系表示为M，理想运动轨迹点为BB(x，y1)；

拟合实际运动轨迹坐标系N与理想运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，利用计算误差角度tanβ进行校准补偿，其算法tanβ＝(y2-y1)/(y2+y1)，补偿后的输出结果为(x，yy)，根据上述的角度误差计算方法，假设当前运动轨迹的坐标点为D(x，y)，则补偿后的最优轨迹坐标为DD(x，yy)，补偿后的输出结果，校准过程结束。

作为本发明进一步改进，所述被测物与测试平台水平放置，且被测物上的六轴传感器的朝向与测试平台上的测试坐标系保持一致。

作为本发明进一步改进，所述传动装置A上的Y轴机构为伸缩机构。

作为本发明进一步改进，所述传动装置B上的X轴机构为伸缩机构。

本发明的设计重点在于，包括传动装置A、传动装置B、测试平台三大部分组成；控制传动装置A、B带动测试平台绕X轴方向或Y轴方向，按预设角度从起点运动到终点，在每个角度上静放一定时间，然后读出当前被测物上的传感器数据；把每个角度上读出的传感器数据转化为坐标点，拟合实际状态运动轨迹坐标系N与理想状态运动轨迹坐标系M，得到当前运动轨迹的误差角度β，计算误差角度tanβ进行校准补偿，补偿后的输出结果，然后把误差补偿数值写入产品内部存储器；在产品使用过程中，读取传感器的实时数据，并根据传感器当前的状态，对应误差补偿值进行修正，实现传感器校准。

本发明可完全解决内置六轴传感器产品自身的零点偏移、零点误差问题；同时解决六轴传感器产品由于后续加工产生的各种固有误差问题；进一步提高MEMS传感器对产品运动时的控制精度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。