基于MEMS加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法及系统与流程

基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法及系统
技术领域
1.本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法及系统。


背景技术：

2.微机械电子系统(micro-electro-mechanical system，mems)，又称为微机电系统，是采用纳米技术加工出的新一代微型机电装置。加速度计是一种微机电系统惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)的核心器件，用于测量载体的加速度，具有体积小、精度高、寿命长等优点，被广泛地应用于惯性导航与定位领域。
3.在系统工作过程中，由于工作环境或自然升温而引起的温度变化会导致惯性器件有所误差。为了解决这一问题，通常需要对惯性器件做温度补偿。通常加速度计补偿方式为将惯导系统水平放置于温箱中，进行变温试验，通过线性拟合的方式解算出温度补偿系数。然而，在传统加速度计温度补偿方法中，只能对加速度计进行零偏温度补偿，导致测量精度不够，容易出现误差。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法及系统，对mems加速度计在温度变化时造成的零点数据偏移和标度精度的降低进行了有效的补偿，提高了测量精度。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法，包括以下步骤：s1）计算mems加速度计常温环境下的温度均值、零点偏移矩阵ba、标度因数矩阵ka、固定交叉耦合系数矩阵na；s2）对所述mems加速度计进行两个不同位置的变温试验，得到不同位置对应的加速度计数值序列和目标区间的温度序列，获取每个加速度序列中温度均值对应的加速度计数值；s3）根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
、固定交叉耦合系数矩阵na、零点偏移矩阵ba、温度均值对应的加速度计数值，计算得到零偏序列和标度因数序列；s4）对温度序列和零偏序列进行曲线拟合得到零点偏移参数b
p
，对温度序列和标度因数序列进行曲线拟合得到标度因数参数k
p
；s5）获取所述mems加速度计数据输出值，用零点偏移参数b
p
和标度因数参数k
p
对mems加速度计数据输出值补偿，得到mems加速度计数据真实值。
6.进一步的，步骤s1）具体包括：s11）分别获取mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时，mems加速度计输出的加速度值集合{a}和对应温度值集合{t}；
s12）根据温度值集合{ t }计算温度均值，根据加速度值{ a }计算mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时的加速度均值；s13）根据mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时的加速度均值计算零点偏移矩阵ba、标度因数矩阵ka，并计算标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
，根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
计算固定交叉耦合系数矩阵na。
7.进一步的，步骤s2）具体包括：s21）获取mems加速度计第一测试位置的温度值和对应三轴加速度值的序列，并获取mems加速度计第二测试位置的温度值和对应三轴加速度值的序列；s22）将按温度值序列t
temp1
进行升序排序，将按温度值序列t
temp2
进行升序排序，并将重复项进行求平均处理；s23）将温度值序列t
temp1
、t
temp2
以及温度均值进行并运算，截取范围为max(min(t
temp1
),min(t
temp2
))至min(max(t
temp1
),max(t
temp2
))的温度数据作为温度序列；s24）使用线性插值方法，将三轴加速度值序列a
temp1
和a
temp2
中温度数据对应的数据组合成mems加速度数据序列，并从的三轴加速度值序列和中获取温度均值对应的加速度计数值以及。
8.进一步的，步骤s21）中，所述mems加速度计在第一测试位置时z轴朝上，所述mems加速度计在第二测试位置时y轴朝上并沿z轴旋转目标角度。
9.进一步的，步骤s3）中零偏序列和标度因数序列表达式如下：表达式如下：上式中，为第一测试位置的常温三轴加速度计输入值，为第二测试位置的常温三轴加速度计输入值，有：常温三轴加速度计输入值，有：上式中，na为固定交叉耦合系数矩阵，k
inv
为标度因数矩阵ka的逆矩阵，ba为零点偏移矩阵，为线性差值后的第一测试位置的三轴加速度值序列中温度均值对应的加速度计数值，为线性差值后的第二测试位置的三轴加速度值序列中温度均值对应的加速度计数值。
10.进一步的，步骤s4）中曲线拟合的类型为多项式、三角函数、高斯函数中的一种。
11.进一步的，步骤s5）具体包括：
s51）根据标度因数参数k
p
、零点偏移参数b
p
和对应的拟合曲线，计算目标时刻随温度变化的标度因数矩阵和零点偏移矩阵；s52）获取mems加速度计数据输出值，并根据标度因数矩阵和零点偏移矩阵进行补偿，得到mems加速度计数据真实值，表达式如下：上式中，na为固定交叉耦合系数矩阵。
12.本发明还提出一种mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿系统，包括：参数计算单元，用于计算mems加速度计常温环境下的温度均值、零点偏移矩阵ba、标度因数矩阵ka、固定交叉耦合系数矩阵na；还用于根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
、固定交叉耦合系数矩阵na、零点偏移矩阵ba、温度均值对应的加速度计数值，计算得到零偏序列和标度因数序列；还用于对温度序列和零偏序列进行曲线拟合得到零点偏移参数b
p
，对温度序列和标度因数序列进行曲线拟合得到标度因数参数k
p
；变温试验单元，用于对所述mems加速度计进行不同位置的变温试验，得到不同位置对应的加速度计数值序列和目标区间的温度序列，获取每个加速度序列中温度均值对应的加速度计数值；数据补偿单元，用于获取所述mems加速度计数据输出值，用零点偏移参数b
p
和标度因数参数k
p
对mems加速度计数据输出值补偿，得到mems加速度计数据真实值。
13.本发明还提出一种计算机系统，包括计算机，所述计算机被编程或配置以执行任一所述的基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法。
14.本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有被编程或配置以执行任一所述的基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法的计算机程序。
15.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明综合考虑温度对零偏和标度因数的影响，将温度对零偏的影响和对标度因数的影响有效分离开来，形成相互独立的数据序列来进行曲线拟合得到标度因数参数和零度偏移参数，并以此修正加速度计数据，提高了测量精度，此外，本发明不限定拟合模型，变
温试验对试验位置要求低，只要每轴加速度计在两个位置的倾角不同即可，极大提高了补偿试验的效率。
附图说明
16.图1为本发明实施例的流程图。
17.图2为本发明实施例中步骤s2的试验位置示意图，其中图2（a）表示第一测试位置，图2（b）表示第二测试位置。
18.图3为本发明实施例加速度计x轴数据补偿前后的对比图。
19.图4为本发明实施例加速度计y轴数据补偿前后的对比图。
20.图5为本发明实施例加速度计z轴数据补偿前后的对比图。
具体实施方式
21.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
22.根据加速度计误差补偿模型：，其中为加速度计输出值，ba为加速度计零偏，ka为加速度相关误差系数矩阵，a为输入加速度，可知；又因加速度相关误差系数矩阵ka主要包含标度因数误差和固定交叉耦合误差，即ka=kn·ks
，其中kn为固定交叉耦合误差，ks为标度因数误差。
23.基于上述分析，本实施例提出一种基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法，对三轴加速度计的零偏和标度因数进行综合温度补偿，如图1所示，包括以下步骤：s1）计算mems加速度计常温环境下的温度均值、零点偏移矩阵ba、标度因数矩阵ka、固定交叉耦合系数矩阵na；s2）对所述mems加速度计进行两个不同位置的变温试验，得到不同位置对应的加速度计数值序列和目标区间的温度序列，获取每个加速度序列中温度均值对应的加速度计数值；s3）根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
、固定交叉耦合系数矩阵na、零点偏移矩阵ba、温度均值对应的加速度计数值，计算得到零偏序列和标度因数序列；s4）对温度序列和零偏序列进行曲线拟合得到零点偏移参数b
p
，对温度序列和标度因数序列进行曲线拟合得到标度因数参数k
p
；s5）获取所述mems加速度计数据输出值，用零点偏移参数b
p
和标度因数参数k
p
对mems加速度计数据输出值补偿，得到mems加速度计数据真实值。
24.本实施例通过步骤s1）取得mems加速度计在常温下的相关参数用于后续计算，包括以下步骤：s11）常温环境下，分别获取mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时，mems加速度计输出的加速度值集合{a}和对应温度值集合{t}；本实施例中，第一状态为mems加速度计三个轴分别处于+1g的状态，第二状态为
mems加速度计三个轴分别处于-1g的状态，mems加速度计三个轴在各状态下依次按90
°
角度旋转4次，测量这24个位置的mems加速度计输出的温度值和加速度值，即可得到加速度值集合{a}和对应温度值集合{t}；s12）根据温度值集合{ t }计算温度均值，根据加速度值{ a }计算mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时的加速度均值，具体的，本实施例对mems加速度计三个轴在各状态下旋转4次的数据取中间段数据求取平均值，得到前述的数据，将处于+1g状态下的三轴加速度均值表述为的形式，将处于-1g状态下的三轴加速度均值表述为的形式；s13）根据mems加速度计各轴处于第一状态和第二状态时的加速度均值计算零点偏移矩阵ba、标度因数矩阵ka，并计算标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
，根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
计算固定交叉耦合系数矩阵na，相关参数表达式如下：（1）（2）（3）（4）式（1）至（4）中，ba为零点漂移矩阵，ka为标度因数矩阵，k
inv
为标度因数矩阵ka的逆矩阵，na为固定交叉耦合系数矩阵，、、、、、、、、为常温+1g状态下的三轴加速度平均值，、、、、、、、、为常温-1g状态下的三轴加速度平均值。其中、、表示x轴加速度计在+1g状态下x轴、y轴和z轴各自输出的平均值，、、表示x轴加速度计在-1g状态下x轴、y轴和z轴各自输出的平均值，其余表示同理。
25.为了降低变温试验对试验位置的要求，本实施例的步骤s2）包括以下步骤：s21）在变温试验中，获取mems加速度计第一测试位置的温度值和对应三轴加速度
值的序列，并获取mems加速度计第二测试位置的温度值和对应三轴加速度值的序列；本实施例中，变温试验使用高低温测试箱，在两个位置分别施加温度的影响，温度范围-40℃~85℃，温度变化率1℃/min，每次测试均进行全温区测量，本实施例中只要加速度计的轴在两个位置的倾角不同即可完成变温试验。本实施例第一次测试如图2（a）所示，mems加速度计在第一测试位置时z轴朝上，本实施例的第二次测试如图2（b）所示，mems加速度计在第二测试位置时y轴朝上并沿z轴旋转目标角度，本实施例目标角度采用顺时针旋转45
°
角；s22）将按温度值序列t
temp1
进行升序排序，将按温度值序列t
temp2
进行升序排序，并将重复项进行求平均处理；s23）将温度值序列t
temp1
、t
temp2
以及温度均值进行并运算，并运算是本领域技术人员熟知的计算方法，本方案未涉及对并运算具体计算过程的改进，在此不再赘述并运算的具体计算过程，截取范围为max(min(t
temp1
),min(t
temp2
))（即温度序列t
temp1
的最小值和温度序列t
temp2
的最小值之间的较大者）至min(max(t
temp1
),max(t
temp2
))（即温度序列t
temp1
的最大值和温度序列t
temp2
的最大值之间的较小者）的温度数据作为温度序列；s24）使用线性插值方法，将三轴加速度值序列a
temp1
和a
temp2
中温度数据对应的数据组合成mems加速度数据序列，线性插值方法是本领域技术人员熟知的方法，本方案未涉及对线性插值具体过程的改进，在此不再赘述线性插值的具体过程，得到mems加速度数据序列之后，从的三轴加速度值序列和中获取温度均值对应的加速度计数值以及。
26.本实施例的步骤s3）将温度对零偏的影响和对标度因数的影响有效分离开来，形成相互独立的数据序列，以提高最终的补偿结果的准确性，包括以下步骤：s31）计算第一测试位置的常温三轴加速度计输入值与第二测试位置的常温三轴加速度计输入值，有：（5）（6）式（5）和（6）中，na为固定交叉耦合系数矩阵，k
inv
为标度因数矩阵ka的逆矩阵，ba为零点偏移矩阵，为线性差值后的第一测试位置的三轴加速度值序列中温度均值对应的加速度计数值，为线性差值后的第二测试位置的三轴加速度值序列中温度均值对应的加速度计数值；s32）计算零偏序列和标度因数序列，表达式如下：（7）
（8）式（7）和（8）中，为第一测试位置的常温三轴加速度计输入值，为第二测试位置的常温三轴加速度计输入值，为线性差值后的第一测试位置的三轴加速度值序列，为线性差值后的第二测试位置的三轴加速度值序列。
27.本实施例的步骤s4）中，曲线拟合的类型可以为多项式、三角函数、高斯函数中的一种，可以根据经验或实际情况，对于mems加速度计的性能进行评估之后来决定拟合曲线的类型选择，对两个序列进行曲线拟合是本领域技术人员的常用方法，本方案不涉及曲线拟合具体过程的改进，在此不再赘述曲线拟合的具体过程。
28.本实施例的步骤s5）具体包括：s51）根据步骤s4）所选择拟合曲线类型，以及标度因数参数k
p
、零点偏移参数b
p
对应的拟合曲线，计算目标时刻随温度变化的标度因数矩阵和零点偏移矩阵，目标时刻可以为任意时刻，具体的，令x轴加速度计标度因数与温度的拟合关系为，零偏与温度的拟合关系为，在任意时刻，取得加速度计温度数值，则当前时刻x轴加速度计标度因数为，零偏为；s52）获取mems加速度计数据输出值，并根据标度因数矩阵和零点偏移矩阵进行补偿，得到mems加速度计数据真实值，表达式如下：（9）上式中，na为固定交叉耦合系数矩阵。
29.如图3至图5所示，采用步骤s1）至步骤s5）对mems加速度计数据输出值进行补偿后，mems加速度计各轴的数据均能保持稳定，不会随环境温度变化而发生改变。
30.本发明还提出一种mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿系统，包括：参数计算单元，用于计算mems加速度计常温环境下的温度均值、零点偏移矩阵
ba、标度因数矩阵ka、固定交叉耦合系数矩阵na；还用于根据标度因数矩阵ka的逆矩阵k
inv
、固定交叉耦合系数矩阵na、零点偏移矩阵ba、温度均值对应的加速度计数值，计算得到零偏序列和标度因数序列；还用于对温度序列和零偏序列进行曲线拟合得到零点偏移参数b
p
，对温度序列和标度因数序列进行曲线拟合得到标度因数参数k
p
；变温试验单元，用于对所述mems加速度计进行不同位置的变温试验，得到不同位置对应的加速度计数值序列和目标区间的温度序列，获取每个加速度序列中温度均值对应的加速度计数值；数据补偿单元，用于获取所述mems加速度计数据输出值，用零点偏移参数b
p
和标度因数参数k
p
对mems加速度计数据输出值补偿，得到mems加速度计数据真实值。
31.本发明还提出一种计算机系统，包括计算机，所述计算机被编程或配置以执行任一所述的基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法。
32.本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有被编程或配置以执行任一所述的基于mems加速度计零偏和标度因数的温度补偿方法的计算机程序。
33.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。