专利名称：基于单轴转台的三轴mems陀螺旋转积分标定方法
技术领域：
本发明涉及一种三轴MEMS (微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺标定方法，属于MEMS陀螺技术领域。
背景技术：
传统的陀螺标定方法包括静态多位置法和角速率法。通过位置测试和角速率测试可以标定出陀螺的确定性误差系数。其方法和步骤比较复杂，每个误差项都有不同的标定方法和步骤，而且有的误差项的标定需要很长的数据采集时间；虽然该方法标定的精度很高，但标定时间很长。针对传统标定方法耗时太长的问题，有研究人员发明了一种基于光纤陀螺的无转台现场快速标定方法，其方法没有精密转台作为标定基准，而是通过多位置旋转，再通过积 分求解出陀螺各误差系数。虽然该方法操作简便快捷，实现了陀螺的快速标定，但是在无精密转台情况下固定陀螺的平面不能完全水平，并且陀螺的旋转角度不能精确控制，甚至会引入人为操作误差；因此，该方法不能保证标定的精度；再者，该方法是基于光纤陀螺，没有考虑陀螺的加速度敏感性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，主要解决传统陀螺标定方法的耗时问题和无转台现场快速标定方法的低精度问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，其特征是，包括以下步骤I)建立MEMS陀螺的误差模型建立的误差模型中包含固定零偏、标度因数、交叉耦合系数、加速度敏感性系数；2)对MEMS陀螺六位置旋转标定将三轴MEMS陀螺固定在单轴转台上，分别测试陀螺的输入敏感轴指向+Z轴、-Z轴、±X轴、土Y轴方向，并且转台分别逆时针转过360°、顺时针转过360°的数据，记录下MEMS陀螺在这6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间；3 )计算MEMS陀螺误差系数 通过对MEMS陀螺的上述6个位置、12次旋转，简化MEMS陀螺的误差模型，分别得到陀螺旋转后的误差模型，对该旋转后的误差模型等式两边进行积分运算，建立误差方程组,求解出MEMS陀螺的固定零偏、标度因数、交叉耦合系数、加速度敏感性系数。步骤I)中建立的MEMS陀螺的误差模型为SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω X+Kyi ω y+Kzi ωζ, (i = χ, y, ζ) (I)其中=Si是i轴陀螺的标度因数，Uij是i轴陀螺第j次旋转的输出电压值，Bi是i轴陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各轴的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系数，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系数(Kxx = Kyy = Kzz = I), ωχ” coyJ、cozJ是陀螺输入角速率。步骤2 )中MEMS陀螺六位置旋转标定的步骤为将三轴M EMS陀螺固定在转台平面上，使陀螺的敏感轴指向+Z轴方向，给陀螺加电，并进行数据采集，等待陀螺工作稳定后，将陀螺逆时针转过360°，然后静止一段时间，保存从陀螺工作稳定到静止这段时间的所有数据，并记录采样时间，记为t，t为整个旋转过程的时间和静止时间的总和；然后，再将陀螺顺时针旋转360°，保持静止状态，保存测试数据并记录采样时间；再将陀螺按_Z、±X和土Y方向放置，重复以上测试步骤，记录6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间。根据步骤2)中的标定步骤，顺/逆时针方向旋转，采集陀螺输出的电压量，并对旋转后简化的误差模型方程两边在时间O t内进行积分运算，建立误差方程组，求解出MEMS陀螺各项误差系数的公式如下标度因数计算公式Si = 1440 / [Jo (Uij — Uh J+l) + Ui(j+2) — Ui(J+3) ) τ](10)固定零偏计算公式Bi = {5,[￡(Uij 4i/,()+1) + Utum + Ui{j+3))dT]}! At(11)交叉耦合系数计算公式Kik = &[￡(% -Ukim ^Uk()+2) -Uk(j+}))dT]/U40(12)加速度敏感性系数计算公式Aik = ^,[J0(C/AJ +CZfrc,+1) -irku+2)-Uk(j+3))dT-4co；t]/4gt (13)公式(10) (13)中，i=x、y、z,k=x、y、z,当i=z 时,j=l ；i=x 时,j=5 ；i=y 时,j=9,并且在公式(12)中，iデk。本发明所达到的有益效果首先，本发明利用精密单轴转台的位置功能，保证了 MEMS陀螺固定平面的水平度和MEMS陀螺旋转角度的精度，即保证了标定的精确性；其次，在MEMS陀螺误差模型的基础上，通过6位置12次旋转建立误差方程，并对误差方程进行旋转积分解算，可以快速地求解出MEMS陀螺的固定零偏、标度因数、交叉耦合误差系数、加速度敏感性系数，提高了标定效率。本发明的方法融合了现有技术中的两种主要陀螺标定方法的优点，同时规避了两者的缺点，从而实现了 MEMS陀螺的高效率、高精度标定。
图I是三轴MEMS陀螺固定在转台平面示意图；图2是三轴MEMS陀螺六位置12次旋转标定方案对比示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明的技术方案将三轴MEMS陀螺固定在单轴转台上，如图1，首先让Z轴陀螺的输入敏感轴指天(+Z方向)，转台的位置功能控制转台逆时针转过360°，记录数据，再让转台顺时针转过360°，记录数据；然后Z轴陀螺的输入敏感轴指地(-Z方向)，按同样的方法测试并记录数据。随后，分别按±X、土Y方向放置陀螺，重复以上步骤和方法，并记录数据。通过上述6个位置12次旋转，根据MEMS陀螺的误差模型，对模型等式两边进行积分运算，建立误差方程组，求解出MEMS陀螺的固定零偏、标度因数、交叉耦合误差系数、カロ速度敏感性系数。以下是本发明方法的详细步骤 I、建立MEMS陀螺的误差模型本方法的标定首先要建立三轴MEMS陀螺的误差模型；MEMS陀螺的误差模型除了包括固定零偏、交叉耦合误差、标度因数、随机噪声等參数，由于MEMS陀螺的微机械结构的特性，其性能还受到加速度的影响，因此，MEMS陀螺的误差模型还包含加速度敏感性系数；本方法的标定方案是在常温情况下进行的，不考虑MEMS陀螺的温度因素，又由于MEMS陀螺的随机噪声对标定的影响很小，可以忽略不计；因此，MEMS陀螺的误差模型可以描述为SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω X+Kyi ω y+Kzi ω ζ, (i = χ, y, ζ) (I)其中Si是i轴陀螺的标度因数，Uij是i轴陀螺第j次旋转的输出电压值，Bi是i轴陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各轴的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系数，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系数(Kxx = Kyy = Kzz = I), ωχ” coyJ、cozJ是陀螺输入角速率。 2、MEMS陀螺六位置旋转标定MEMS陀螺六位置旋转标定的步骤和方法是将三轴MEMS陀螺固定在转台平面上，如图I所示，并使Z轴陀螺的敏感轴指天，即为+Z方向，给陀螺加电，开启数据采集软件，等待I分钟让陀螺工作稳定后，利用转台的位置功能将陀螺逆时针转过360°，然后静止一段时间，保存从陀螺工作稳定到静止这段时间的所有数据，并记录采样时间，记为t，t为整个旋转过程的时间和静止时间的总和，如可以让总时间t为IOOs (只要保证总的旋转角度为360°，该时间可任意規定)；然后，再将陀螺顺时针旋转360°，保持静止状态，保存测试数据并记录采样时间。再将陀螺按-Ζ、±X和土Y方向放置，重复以上测试步骤，记录6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间。标定的方案图如图2所示。3、MEMS陀螺误差系数的计算不妨先以Z轴方向的第I 4次旋转为例，根据方程(I)描述的MEMS陀螺误差模型方程，则可以建立Z轴旋转方向各轴向陀螺的误差模型，在Z轴旋转方向上，X、Y轴方向无输入角速率，并且在加速度方面只有重力加速度g影响3个轴向的陀螺，因此，方程(I)描述的陀螺误差模型得以简化；为了保证模型中各參数计算的精确性，必须考虑地球自转角速率 的影响；因此，Z轴旋转方向各轴向陀螺的误差模型如下
第I 次旋转
权利要求
1.一种基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，其特征是，包括以下步骤 1)建立MEMS陀螺的误差模型 建立的误差模型中包含固定零偏、标度因数、交叉耦合系数、加速度敏感性系数； 2)对MEMS陀螺六位置旋转标定 将三轴MEMS陀螺固定在单轴转台上，分别测试陀螺的输入敏感轴指向+Z轴、-Z轴、±X轴、土Y轴方向，并且转台分别逆时针转过360°、顺时针转过360°的数据，记录下MEMS陀螺在这6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间； 3)计算MEMS陀螺误差系数 通过对MEMS陀螺的上述6个位置、12次旋转，简化MEMS陀螺的误差模型，分别得到陀螺旋转后的误差模型，对该旋转后的误差模型等式两边进行积分运算，建立误差方程组，求解出MEMS陀螺的固定零偏、标度因数、交叉耦合系数、加速度敏感性系数。
2.根据权利要求I所述的基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，其特征是，步骤I)中建立的MEMS陀螺的误差模型为 SiUij = Bi+Axiax+Ayiay+Aziaz+Kxi ω x+Kyi ω y+Kzi ω ζ, (i = χ, y, ζ) (I) 其中Si是i轴陀螺的标度因数，Uij是i轴陀螺第j次旋转的输出电压值， Bi是i轴陀螺的固定零偏，ax、ay、az是加速度沿各轴的分量，Axi, Ayi> Azi是陀螺加速度敏感性系数，Kxi, Kyi, Kzi是交叉偶合系数， xJ> coyj、COzj是陀螺输入角速率。
3.根据权利要求2所述的基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，其特征是，步骤2)中MEMS陀螺六位置旋转标定的步骤为 将三轴MEMS陀螺固定在转台平面上，使陀螺的敏感轴指向+Z轴方向，给陀螺加电，并进行数据采集，等待陀螺工作稳定后，将陀螺逆时针转过360°，然后静止一段时间，保存从陀螺工作稳定到静止这段时间的所有数据，并记录采样时间，记为t，t为整个旋转过程的时间和静止时间的总和；然后，再将陀螺顺时针旋转360°，保持静止状态，保存测试数据并记录采样时间；再将陀螺按_Z、±X和土Y方向放置，重复以上测试步骤，记录6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间。
4.根据权利要求3所述的基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，其特征是，根据步骤2)中的标定步骤，顺/逆时针方向旋转，采集陀螺输出的电压量，并对旋转后简化的误差模型方程两边在时间O t内进行积分运算，建立误差方程组，求解出MEMS陀螺各项误差系数的公式如下 标度因数计算公式 Si = 1440/[Jo(CTi, -Ul(jn) +UI{J+1) ~UHj^)dT](IU) 固定零偏计算公式 Bi =供.[JX 沿酬 +UiU+2}+Ui(j+3))dT]}/4t(11) 交叉耦合系数计算公式K11 = 5t[Jor(C/i7 -Uk(”n ^ukij^ -Uku+3))dT]/U40(12) 加速度敏感性系数计算公式Ak = [J0 (ひ句 + ひA-U十])^h-U+2)-び* +3) M7 -細ン],^St (13)公式(10) (13)中，i=x、y> z, k=x、y、z,当 i=z 时，j=l ；i=x 时，j=5 ；i=y 时，j=9,并 且在公式(12)中，i≠k。
全文摘要
本发明公开了一种基于单轴转台的三轴MEMS陀螺旋转积分标定方法，首先建立三轴MEMS陀螺的误差模型；再将三轴MEMS陀螺固定在单轴转台上，对MEMS陀螺六位置旋转标定，测试并记录MEMS陀螺在这6个位置、12次旋转的测试数据和采样时间；通过对MEMS陀螺的上述6个位置、12次旋转，简化MEMS陀螺的误差模型，得到陀螺旋转后的误差模型，对该旋转后的误差模型等式两边进行积分运算，建立误差方程组，求解出MEMS陀螺误差系数。本发明的方法既保证了标定的精确性，又可以快速地求解出MEMS陀螺的固定零偏、标度因数、交叉耦合误差系数、加速度敏感性系数，提高了标定效率。
文档编号G01C25/00GK102853850SQ20121033251
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者董冀, 周芳, 王晓臣, 鞠莉娜 申请人:中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心