一种新型mems惯性传感器阵列余度配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种新型MEMS惯性传感器阵列余度配置方 法。
【背景技术】
[0002] 随着MEMS惯性技术的快速发展和广泛应用，MEMS惯性测量单元以体积小、易集 成、成本低等优势被广泛应用于车船、无人机等领域，为载体实时提供载体角速率、加速度、 姿态、速度和位置等重要状态信息。
[0003] 但一般工业用高性能MEMS惯性测量单元测量范围较小，难以适应一些载体在突 发干扰下的大加速度和大角速率输入测量需求，导致测量出错或性能严重下降，甚至危及 载体及人员安全。而目前市场上的消费级低成本MEMS惯性测量单元虽然具有小体积、低 功耗、宽量程的特性，但产品可靠性和产品性能无法满足绝大部分载体的导航需求。针对 此MEMS惯性测量单元的工程实用问题，可以考虑采用阵列余度配置方案，将工业用高性能 MEMS惯性测量单元与消费级低成本MEMS惯性测量单元集成在一起，从而增强MEMS惯性测 量单元的测量性能。然而传统的阵列传感器配置方法采用的是同一性能等级甚至同一型号 传感器在空间上构成多余度配置，通过增加传感器测量信息的数量，经过融合信息处理算 法获得更高的测量精度和测量性能。因此为了将工业用高性能MEMS惯性测量单元与消费 级低成本MEMS惯性测量单元这两类不同性能等级的惯性传感器集成在一起，亟需设计一 种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述问题，本发明提供一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置 方法。
[0005] -种新型MEMS惯性传感器的阵列余度配置方法，其特征在于，包括：
[0006] 提供第一惯性测量单元和第二惯性测量单元；
[0007] 将所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元以阵列余度配置方式集成安 装并连接至微处理器；
[0008] 对集成后的所述第一惯性测量单元进行误差的标定和补偿；
[0009] 于所述第一惯性测量单元的测量范围内，以第一惯性测量单元输出数据为基准对 所述第二惯性测量单元误差进行标定，将补偿后的第二惯性测量单元与第一惯性测量单元 输出的数据进行融合处理，以提高所述MEMS惯性传感器的测量性能。
[0010] 上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法 还包括：
[0011] 利用转台对所述第一惯性测量单元进行离线标定，并记录所述第一惯性测量单元 的零偏、刻度因子和安装偏差角误差；
[0012] 将所述第一惯性测量单元的零偏、刻度因子和安装偏差角误差存储至微处理器连 接的存储单元中，用以对所述第一惯性测量单元进行误差修正。
[0013]上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述方法 还包括：
[0014]采用扩展卡尔曼滤波算法以所述误差补偿后的第一惯性测量单元的测量数据为 基准对所第二惯性测量单元误差进行在线标定，并对所述第二惯性测量单元进行误差修 正，对误差补偿和修正后的所述第一惯性测量单元和第二惯性测量单元的测量数据进行融 合处理。
[0015]上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述测量 性能包括零偏稳定性和零偏重复性、测量可靠性。
[0016]上述新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配置方法，其特征在于，所述第一 惯性测量单元的测量范围低于所述第二惯性测量单元，所述第一惯性测量单元的测量稳定 性、测量重复性性能优于所述第二惯性测量单元。
[0017]综上所述，本发明公开设计的一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配 置方法，将不同型号的惯性测量单元在传感器的系统层进行余度配置，通过两个不同型号 的惯性测量单元的性能进行互补，经过整体的信息融合，实现系统层的整体性能提升，这样 可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高融合后的惯性测量单元的测量性能和 测量范围。
【附图说明】
[0018]参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和 阐述，并不构成对本发明范围的限制。
[0019] 图1是本发明结构示意图；
[0020] 图2是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限 定。
[0022] 本发明的核心思想是，在采用不同性能的传感器，且不是在单一的传感器层进行 余度配置，而是在系统层（MU惯性测量单元），其提高系统性能和精度并非单纯通过增加 传感器测量信息的数量实现，而是通过不同性能传感器的性能互补特点，经过整体的信息 融合，实现系统层的整体性能提升，整个系统中是包含一套性能高但测量范围较窄的MEMS 惯性测量单元与一套性能较差但测量范围较宽的MEMS惯性测量单元，经过整体信息融合， 可以在几乎不增加系统硬件成本的前提下，有效提高集成后IMU的测量性能和测量范围。
[0023] 如图1、图2所示，本发明设计的一种新型MEMS惯性传感器性能增强的阵列余度配 置方法，首先是提供两个MEMS惯性测量单元，分别是性能高但测量范围较窄的第一MEMS惯 性测量单元，性能较差但测量范围较宽的第二MEMS惯性测量单元，然后将第一惯性测量单 元和第二惯性测量单元与微处理器连接，对第一惯性测量单元和第二惯性测量单元进行误 差标定和补偿，将第一惯性测量单元和第二惯性测量单元误差标定和补偿后的测量数据进 行融合处理，通过对外数据接口传输出去，以提高整个惯性测量单元的测量性能。
[0024] 具体的，先是硬件层的选型和集成：
[0025] -般情况下，选择高性能窄测量范围的第一惯性测量单元，其主要指标是根据微 机械测量传感器的陀螺仪和加速度计的零偏稳定性和零偏重复性决定，一般参考依据是第 一惯性测量单元的传感器的零偏稳定性和零偏重复性指标高出第二惯性测量单元的有关 指标的1〇〇倍，第二惯性测量单元的测量范围应在第一惯性测量单元的测量范围的5倍以 上，第二惯性测量单元的硬件成本应在第一惯性测量单元的成本1/100以下，在此选型基 础上根据图1的框图进行硬件集成。
[0026] 然后就是对第一惯性测量单元的误差标定与补偿：
[0027] 利用转台设备对集成后的惯性测量单元硬件进行离线标定，并记录第一惯性测量 单元的传感器零偏、刻度因子和安装偏差角误差，并将该误差存入处理器对应的存储单元 中，从而使得标定后的惯性测量单元每次上电工作都可以自动利用误差补偿算法对第一惯 性测量单元的误差进行修正，从而提高第一惯性测量单元的系统性能。
[0028] 接着利用修正后的第一惯性测量单元数据对第二惯性测量单元进行误差在线标 定与补偿：
[0029] 由于实际使用过程中绝大部分时间第一惯性测量单元都工作在第一惯性测量单 元的测量范围内，而此时第一惯性测量单元具有较高的测量精度，因此，我们可以在第一惯 性测量单元的工作范围内，使用其数据作为测量基准，通过在线标定算法对第二惯性测量 单元的误差进行在线估计，并利用此误差和误差补偿算法，提高第二惯性测量单元的测量 性能。
[0030] 具体的第二惯性测量单元误差参数在线标定与补偿方法主要包括如下步骤：
[0031] a、建立即第二惯性测量单元误差参数在线标定方法的状态估计方程。其状态估计 (i) (2) 与MEMS陀螺仪相关的状态量Xi中的各项分别表示：为第二惯性测量单元中的 MEMS陀螺仪估计的投影在第一惯性测量单元中的MEMS陀螺仪坐标系中的三轴陀螺仪数 据；[εχ，εy，εJ为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪与第一惯性测量单元中的MEMS陀 螺仪之间的零偏误差，[0gx，0gy，0gz]为第二惯性测量单元中的MEMS陀螺仪与第一惯性 测量单元中的MEMS陀螺仪之间的安装误差角；[Kgx，Kgy，Kgz]为第二惯性测