一种IMU自动标定的测试方法和系统与流程

本发明涉及惯性测量单元标定与测试技术领域，尤其涉及一种imu自动标定的测试方法和系统。

背景技术：

由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元(imu)是捷联惯导系统(sins)的敏感部件，对其标定和测试在sins的使用中占有重要的地位。imu标定是惯性导航的前提，标定结果将对导航精度产生直接影响；对imu的测试可以评价其是否达到设计的性能指标或是否满足系统的使用要求。

惯性测量单元标定与测试的传统方法大都采用人工方式，一般使用静态多位置和速率转台测试，这种方法利用多位置对消原理，通过采集惯性器件原始数据解析计算各误差项，受原理的限制，各种误差项存在交叉耦合，另外惯性器件的噪声会污染解析用的原始测量数据，因此导致误差系数的可观测性较弱，实际标定和测试的精度不高，标定过程引入了人为因素影响，过程复杂，周期长，工作量大，效率低下。

随着自动化测试技术在惯性导航系统测试中的应用，国内外研制了各种惯性导航自动测试平台，实现了对转台的实时测控、信号采集、数据处理、标定计算、报告显示、打印和存储功能，一定程度上提高了标定与测试的效率和精度，但是功能单一，通用化和智能化程度不高。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种imu自动标定的测试方法和系统，以imu整体为标定对象，考虑了惯性传感器轴间不完全正交误差及结构安装误差等因素，对imu中各惯性传感器的初始零位、标度因数、安装误差系数等参数进行标定，标定中间过程不需要人员参与，通用性好、自动化水平高，减少各类因素干扰，保证了标定与测试的高效率和高精度，解决了现有技术精度不高、过程繁琐、效率低下和部分惯性导航自动测试平台功能单一、通用化和智能化程度不高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种imu自动标定的测试方法，该方法包括根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令，所述标定指令控制转台的工作状态；根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据；根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差；根据所述标定参数及标定误差进行误差补偿，并将更新后的标定参数发送给imu同时输出测试结果。

基于上述方法的另一个实施例中，根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令包括：通过测试端软件的标定程序界面选择标定参数模型；通过测试端选择参照的不同测试标准和规范；通过测试端输入交互信息设置标定任务及测试任务。

可选地，所述标定指令控制转台的工作状态包括转台的位置信息和速率信息；所述位置信息包括目标位置和反馈位置，当反馈位置到达目标位置且速率为零，则判定转台到达目标位置且静止；所述速率信息包括目标速率和反馈速率，当反馈速率与目标速率误差在设定的范围内，则判定转台以目标速率稳定运动。

可选地，根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据包括：通过获取转台的所述目标位置和所述目标速率，控制数据采集的开关确保采集到所述测试指令所需的所述指定数据；其中，所述数据采集包括测试端软件的数据采集或imu内部的数据子系统的数据采集。

可选地，通过测试端软件的指令生成窗口将一个或多个所述测试指令生成一个测试指令文件，并完成所述测试端软件对所述测试指令文件的加载。

可选地，所述测试端软件顺序读取所述测试指令文件中的指令并进行测试，所述测试指令通过接口设备控制转台的运动或采集所述指定数据并输出数据结果；所述测试端软件的程序设定转台编排，为每个位置信息设定标识符，确保每个位置数据存入数组位置。

可选地，根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差包括：利用测试端软件采集到的多组指定数据，通过智能控制算法进行训练和测试，使得所述标定误差最小化得到所述标定参数和所述标定误差。

上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例公开一种imu自动标定的测试方法，该方法包括根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令，所述标定指令控制转台的工作状态；根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据；根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差；根据所述标定参数及标定误差进行误差补偿，并将更新后的标定参数发送给imu同时输出测试结果。本发明实施例解决了现有技术精度不高、过程繁琐、效率低下和部分惯性导航自动测试平台功能单一、通用化和智能化程度不高的问题。基于上述方法的另一个实施例实现了数据集成管理、在线控制和监测，使得标定效率和测量精度大大提高。

另一方面，本发明实施例提供了一种imu自动标定的测试系统，该系统包括被测imu、被测imu安装的转台系统、测试终端以及运行在测试终端上的测试软件；所述测试软件，用于通过用户界面生成标定指令和测试指令；所述转台系统，用于通过所述标定指令控制转台的工作状态；所述测试终端，用于导入根据所述工作状态采集到的所述测试指令中的指定数据；所述测试软件，还用于根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差，进行误差补偿并更新所述标定参数后发送给被测imu，同时输出测试结果。

基于上述系统的另一个实施例中，所述测试软件进一步包括智能数据库；所述智能数据库包括用于选择的标定参数模型和用于选择参照的不同测试标准和规范，以及用于存储采集到的指定数据与执行标定任务及测试任务的智能算法及其输出更新后的数据。

可选地，所述测试系统还包括接口设备；所述接口设备作为总线，用于所述测试终端分别与所述被测imu以及所述转台系统的转台控制机柜连接；其中，所述转台系统包括转台控制机柜和转台，用于通过转台控制机柜接收所述标定指令控制转台的工作状态；所述测试终端通过所述接口设备与被测imu连接用于采集所述指定数据和输出数据结果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的一种imu自动标定的测试方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种imu自动标定的工作流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种imu自动标定的测试系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

针对目前传统人工标定和测试方法精度不高、过程复杂、周期长、工作量大、效率低下，部分惯性导航自动测试平台功能单一，通用化和智能化程度不高的问题，本发明实施例一种imu自动标定的测试方法，实现了数据自动采集与处理，转台自动控制和整个标定过程自动化实现，采用c语言、matlab或labview等软件开发平台开发标定控制程序，智能数据库作为数据管理工具，office系统作为记录生成工具，实现测量结果直接由设备传入程序，自动转换计算标定参数，实现标定结果与技术指标自动对比、判定功能，最终按照设定的检测报告模板，输出电子和纸质检测记录。本发明实现了数据集成管理、在线控制和监测，使标定效率和测量精度大大提高，解决了传统人工标定和测试方法精度不高、过程繁琐、效率低下和部分惯性导航自动测试平台功能单一、通用化和智能化程度不高的问题，操作简单、功能强大，提高了工作效率，从根本上排除人为因素造成的差错，最大限度的保证了标定与测试工作的精度以及正确性。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种imu自动标定的测试方法，如图1所示，包括下列步骤：

s101，根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令，所述标定指令控制转台的工作状态；

s102，根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据；

s103，根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差；

s104，根据所述标定参数及标定误差进行误差补偿，并将更新后的标定参数发送给imu同时输出测试结果。

由图1所示可知，本发明实施例的一种imu自动标定的测试方法，根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令，所述标定指令控制转台的工作状态；根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据；根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差；根据所述标定参数及标定误差进行误差补偿，并将更新后的标定参数发送给imu同时输出测试结果。本发明方案解决了现有技术标定和测试方法精度不高、过程繁琐、效率低下和部分惯性导航自动测试平台功能单一、通用化和智能化程度不高的问题，标定中间过程不需要人员参与，通用性好、自动化水平高，减少各类因素干扰，保证了标定与测试的高效率和高精度。

这里需要说明的是，本发明imu自动标定的测试方法进行具体实施时分为以下步骤，第一步根据imu标定与测试的实际试验情况和测试需求，首先完成标定与测试系统搭建，将被测imu设备安装于转台上，使imu的标定轴与转台对应的转轴平行，并确认电气连接正确。第二步根据被测imu性能要求和实际应用环境，设计测试流程，选择标定参数模型、测试标准和规范，输入用户的交互信息，测试软件编辑和加载。

图2为发明实施例提供的一种imu自动标定的工作流程示意图。

本发明的一个具体实施例，根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令包括：通过测试端软件的标定程序界面选择标定参数模型；通过测试端选择参照的不同测试标准和规范；通过测试端输入交互信息设置标定任务及测试任务。如图2所示，imu自动标定工作由用户设定启动，用户通过测试软件的标定程序界面选择标定参数模型；选择参照国标、军标和常用惯性器件测量方法制定的不同测试标准和规范；通过输入用户的交互信息设置标定和测试任务。例如，用户可以设置转台运动方式为速率方式，转台旋转速度采用固定数值的角速率。

本发明的一个具体实施例，所述标定指令控制转台的工作状态包括转台的位置信息和速率信息；所述位置信息包括目标位置和反馈位置，当反馈位置到达目标位置且速率为零，则判定转台到达目标位置且静止；所述速率信息包括目标速率和反馈速率，当反馈速率与目标速率误差在设定的范围内，则判定转台以目标速率稳定运动。参见图2，由用户设定启动imu转台系统，进而控制转台工作状态。

本发明的一个具体实施例，根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据包括：通过获取转台的所述目标位置和所述目标速率，控制数据采集的开关确保采集到所述测试指令所需的所述指定数据；其中，所述数据采集包括测试端软件的数据采集或imu内部的数据子系统的数据采集。参见图2，通过判断转台工作状态控制imu数据采集，也即，判断转台是否达到目标位置或目标速率，若达到则打开数据采集开关，否则关闭数据采集开关。这里要说明的是，imu的数据采集可以使用安装在测试端计算机内作为总线的接口设备，也可以利用imu内部导航计算机系统的数据采集子系统，即imu自身可以完成数据采集、滤波和格式转换功能，测试端计算机只需要通过接口设备接收imu数据即可。

需要说明的是，要实现测试过程的自动化，就要对测试流程进行准确的设计，在基于转台的测试方案中，一般要求转台运动到特定位置或者让转台匀速转动，然后进行数据采集。因此，实现自动测试的前提是正确获取转台的位置信息和速率信息，准确控制软件中设计的虚拟数据采集开关的通断，确保采集到的数据是测试指令中需要的数据，如系统采集完当前位置的数据后转台需转动到下一测试位置，转动过程中的数据为无效数据，何时打开数据采集开关是关键。在转台开始运动之后，设置定时器，定时获取转台位置、速率信息，并进行条件判断。对于位置运动指令，若转台位置到达目标位置且速率为零，则判定转台已经到达目标位置并且已经静止；对于速率运动指令，则比较目标速率与反馈速率值，若误差在设定范围内则判定转台以目标速率稳定运动。此时，可打开数据采集开关，根据通讯协议进行校验，可确保测试过程中采集到的数据完整有效。

本发明的一个具体实施例，通过测试端软件的指令生成窗口将一个或多个所述测试指令生成一个测试指令文件，并完成所述测试端软件对所述测试指令文件的加载。也就说，借助测试计算机软件指令生成窗口，测试人员编写测试指令文件，编辑完成测试软件后，测试软件对测试指令文件进行加载。

这里需要说明的是，惯导系统的测试试验往往是重复性的，如果每次测试之前都要进行测试参数设置，则会浪费大量测试时间。为了简化测试操作，提高测试系统的通用性，本系统设计了特定格式的测试指令，若干测试指令构成测试文件，不同测试方案只要编写一次测试指令文件即可保存重复使用，这样不仅简化了操作，也增强了系统通用性和可扩展性。测试软件提供指令文件生成的功能，测试人员可根据测试流程逐条输入测试指令，存储指令文件中的所有指令，使用时依次读取测试指令。

本发明的一个具体实施例，所述测试端软件顺序读取所述测试指令文件中的指令并进行测试，所述测试指令通过接口设备控制转台的运动或采集所述指定数据并输出数据结果；所述测试端软件的程序设定转台编排，为每个位置信息设定标识符，确保每个位置数据存入数组位置。也就是说，测试人员根据设计的测试流程完成测试软件编辑和加载后，运行测试软件，自动顺序读取指令并按指令要求进行测试。例如测试指令要求转台进行位置运动，控制转台的标定指令由测试端计算机发出，通过接口设备转发至转台控制机柜，实现对转台的控制。当测试端软件执行到转台运动或是数据采集阶段时，程序必须等待并逐项进行高波特率的串口通信和数据的显示与存储等任务。因此，测试软件设计了多线程工作模式，测试端软件主线程完成串口通信，而为数据显示与存储、文件加载、流程控制等创建新的线程，多线程技术可确保软件运行流畅，工作可靠。程序设定的转台编排方案增加了允许纠错补错功能，为每个位置设定标识符，并且确定每个位置数据存入的数组位置，重新测定下一个位置后新数据覆盖旧数据，从而实现纠错补错功能。

本发明的一个具体实施例，根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差包括：利用测试端软件采集到的多组指定数据，通过智能控制算法进行训练和测试，使得所述标定误差最小化得到所述标定参数和所述标定误差。参见图2，当imu自动标定结束，即标定完成后，测试端软件计算标定参数和标定误差，误差补偿后更新标定参数，由imu接收更新后标定参数将其写入并保存起来，由此完成标定参数的自动装订功能。利用测试端软件中采集的多组原始数据，提供给标定智能控制算法进行训练和测试，得到标定误差输出和标定参数输出。神经网络是具有学习能力的一种智能算法，通过训练可以使神经网络表达复杂的非线性系统。也可以结合多种智能控制算法，使用遗传算法(ga)优化神经网络进行标定，使标定误差达到最小化，在计算时间上也相应改善，标定精度更高。

结合图2，以下具体的对实际应用中imu自动标定的工作流程进行详细说明。

控制转台转动时，当转台进入要求的运动状态后，也即通过测试端用户界面设定的标定指令指示的工作状态控制转台运动，测试端计算机通过接口设备向imu发送数据采集控制指令，完成imu数据的采集、数据格式的转换等功能。imu将采集、滤波后的数据通过中断方式经专用总线接口卡(内置于接口设备)读入测试端计算机。测试端计算机内部的测试软件对采集的试验数据导入智能数据库进行标定前数据计算，计算过程中软件会自动调用智能控制算法对智能数据库进行计算更新。执行完所有测试指令之后，测试软件调用数据处理子程序，按照标定算法自动计算标定参数。标定参数作为计算结果写入智能数据库，根据智能控制算法对标定参数进行计算和更新。测试端计算机通过接口设备将更新后的标定参数发送给imu，imu接收标定参数后将其写入并保存起来，由此完成标定参数的自动装订功能。imu在进入导航计算工作方式下会读取标定参数并对imu输出数据进行补偿计算。其中，整个标定过程分两步，第一步计算标定参数的过程是对误差系数进行标定；第二步对标定参数进行更新的过程是通过算法减小或消除误差，对被测imu的输出进行补偿。整个标定过程自动化完成，中间过程不需要人工参与，实现了数据集成管理、在线控制和监测，使得标定效率和测量精度大大提高。

这里需要说明的是，计算标定参数的过程通过测试软件(常用labview软件、matlab软件或c语言编写的软件等)，用最小二乘拟合、kalman滤波或智能控制算法(模糊控制、神经网络、遗传算法等)可求解标度因数、安装误差耦合系数和零偏漂移等标定参数作为粗标定结果，并将其作为参数寻优的初始值，使用matlab优化工具箱(optimizationtoolboox)，直接调用里面的带限制条件的寻优函数fmincon或不带约束条件的寻优函数fminsearch，可以计算出待标定参数的最优值，也可以采用高斯牛顿迭代回归方法进行误差参数的辨识寻优，标定参数补偿后得到imu精确的标定参数模型。

图3为本发明实施例的一种imu自动标定的测试系统结构示意图。

本发明的一个具体实施例，如图3所示，imu自动标定的测试系统包括被测imu301、被测imu安装的转台系统302、测试终端303以及运行在测试终端上的测试软件304；所述测试软件304，用于通过用户界面生成标定指令和测试指令；所述转台系统302，用于通过所述标定指令控制转台305的工作状态；所述测试终端303，用于导入根据所述工作状态采集到的所述测试指令中的指定数据；所述测试软件304，还用于根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差，进行误差补偿并更新所述标定参数后发送给被测imu301，同时输出测试结果。与现有技术相比，该系统操作简单、功能强大，提高了工作效率，从根本上排除人为因素造成的差错，最大限度的保证了标定与测试工作的精度以及正确性。

这里需要说明的是，测试终端303，也即测试端计算机，是整个系统的控制、计算、判断、连接以及运行平台的核心，内部运行测试软件304。测试端计算机硬件由微型计算机或工作站、专用总线接口卡、打印机等设备组成；转台系统302是测试端计算机控制的测量仪器和设备，是被测imu设备的试验载体。也即，测试端计算机内部运行的测试软件操作、控制、监控imu标定与测试过程，完成测试数据的接收、处理、滤波和运算，自动完成对各测量数据的数据处理与状态转换。测试软件304提供标定与测试界面，用户通过该界面设置标定或测试任务，并监控系统运行的状态和结果。实际应用中，测试软件由c语言、matlab或labview等软件开发，包含智能数据库，采用模块化设计，规定了操作、控制、标定测试与显示的具体流程，实现串口通讯、数据显示、数据处理、测试指令生成、测试流程控制以及转台控制指令发送等功能。串口通信模块负责接收接口设备转发的数据，同时向转台控制机柜发送控制命令；数据显示模块实时显示待测设备输出数据；数据处理模块实现对测试数据的综合计算，并将计算结果写入指定文件。测试指令生成模块以窗口形式供测试人员编写测试指令文件，测试流程控制以及转台控制指令模块则主要针对指令内容完成转台控制命令生成。

本发明的一个具体实施例，如图3所示，所述测试软件304进一步包括智能数据库307；所述智能数据库307包括用于选择的标定参数模型和用于选择参照的不同测试标准和规范，以及用于存储采集到的指定数据与执行标定任务及测试任务的智能算法及其输出更新后的数据。

实际应用中，labview软件提供了智能数据库和office软件的接口。通过labview软件将测试采集到的原始数据和标定参数计算结果都以表单形式存入智能数据库中，对于过程数据的使用和查询都通过直接从智能数据库软件中调用。采用智能数据库来管理原始数据和计算结果。根据测量数据的统计特性删除置信区间外的数据，对数据的操作直接在智能数据库中进行。根据智能数据库更新后的标定参数刷写imu，同时输出测试结果文件，测试结束。测试软件以office系统作为记录生成工具，测试结果可以由设备传入程序，直接生成office测试报告，记录测试过程和测试结果，通过自动转换计算标定参数，实现标定结果与技术指标自动对比、判定功能，最终按照设定的检测报告模板，输出电子和纸质检测记录。

本发明的一个具体实施例，如图3所示，所述测试系统还包括接口设备308；所述接口设备308作为总线，用于所述测试终端303分别与所述被测imu301以及所述转台系统302的转台控制机柜306连接；其中，所述转台系统302包括转台控制机柜306和转台305，用于通过转台控制机柜306接收所述标定指令控制转台305的工作状态；所述测试终端303通过所述接口设备308与被测imu301连接用于采集所述指定数据和输出数据结果。也就是说，测试端计算机通过接口设备308向转台控制机柜306发送转台工作方式的设置和转台位置与转动速率的控制指令，转台控制机柜306控制转台305以设置的方式进行相应的运动；同时转台控制机柜306监控转台305的运动状态并反馈转台工作状态与位置信息，通过接口设备308实时打包发送至测试端计算机。

这里需要说明的是，测试端软件还包括底层驱动程序部分，使得测试端计算机与总线的接口设备正常通信。接口设备，即测试总线，连接被测imu设备、测量仪器和设备以及测试端计算机之间的总线。根据被测imu设备的不同总线可以分为rs422串口、rs232串口、spi、vxi、pxi总线等；转台系统是测试端计算机控制的测量仪器和设备，是被测imu设备的试验载体，转台系统包括转台控制机柜和转台等设备。

结合图3所示的imu自动标定的测试系统，具体说明如下：

以imu作为测试对象，将被测imu设备安装于转台上，使imu的标定轴与转台对应的转轴平行，并确认电气连接正确。参照国标、军标和常用惯性器件的测量方法制定不同的测试标准和规范，设计测试流程，选择标定参数模型、测试标准和规范，输入用户的交互信息，测试软件编辑和加载，也就是利用测试终端的计算机通讯技术，把测试标准和规范与用户的交互信息作为控制命令，然后以测试终端，即计算机系统，作为整个系统的控制、计算、判断、连接核心及运行平台。测试系统通过总线接口向转台控制机柜发送命令，控制转台进行相应的运动；同时利用接口设备采集imu的输出信号，并将采集到的数据通过专用总线接口卡(内置接口设备)读入测试端的计算机，从而实现imu标定和测试的自动化、快速化。

具体应用中，如要完成imu自动标定与测试，就必须实现对转台的精确控制。转台的运动主要是位置运动和速率运动，一般的测试方案也是基于以上两种运动展开的。位置测试需要转台进行多位置的转动，并在特定的位置保持静止；速率测试需要转台以不同的角速率绕转动轴转动，且要保持角速率稳定。转台可以选择带高低温箱的位置速率转台，借助转台控制机柜的控制接口，通过既定控制协议实现对转台的精确控制。为避免转台动态效应，转台的旋转启动和停止均不包括在测试时间内。为提高试验精度，可采用整圈标定法。转台控制时先将转台归0，然后接通imu的电源，根据实际应用情况对imu进行预热，待系统性能稳定后，根据程序设定的编排方案开始自动运行转台转动，数据全部采集完成后转台停转并归0。

综上所述，本发明公开了一种imu自动标定的测试方法和系统，该方法包括根据用户界面的设定生成标定指令和测试指令，所述标定指令控制转台的工作状态；根据所述工作状态采集所述测试指令中的指定数据；根据所述指定数据调用控制算法计算标定参数及标定误差；根据所述标定参数及标定误差进行误差补偿，并将更新后的标定参数发送给imu同时输出测试结果。本发明解决了现有技术精度不高、过程复杂、周期长、工作量大、效率低下，部分惯性导航自动测试平台功能单一，通用化和智能化程度不高的问题，同时实现测量结果直接由设备传入程序，自动转换计算标定参数，实现标定结果与技术指标自动对比及判定功能。本发明还公开了与上述测试方法构成同一技术构思的测试系统，该系统操作简单、功能强大，提高了工作效率，从根本上排除人为因素造成的差错，最大限度的保证了标定与测试工作的精度以及正确性，同时实现了数据集成管理、在线控制和监测，使得标定效率和测量精度大大提高，能够在保证标定与测试结果正确的前提下实现自动化，简化了操作步骤，提高了可靠性，满足产品化需求，具有较高的工程应用价值。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序控制相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。