一种陀螺仪校准方法和装置的制造方法
【专利摘要】本申请公开了一种陀螺仪校准方法和装置，所述方法在获得三轴陀螺仪的三轴测量值以及三轴陀螺仪的标度因子、常值误差的基础上，基于所述标度因子及常值误差，对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，最终得到校准后的三轴测量结果。可见，应用本申请方法，可有效补偿三轴陀螺仪由于零偏(常值误差)、标度因子所引起的测量误差，从而提升了三轴陀螺仪测量结果的准确度，进而可提升应用三轴陀螺仪的无人机及车载导航等系统的姿态测量的准确度。
【专利说明】
一种陀螺仪校准方法和装置
技术领域
[0001] 本发明属于机器/仪器校准技术领域，尤其涉及一种陀螺仪校准方法和装置。
【背景技术】
[0002] 三轴MEMS(Micr〇-Electr〇-Mechanical System，微机电系统）陀螺仪常用来测量 物体三个方向的角速率信息，以实现基于所测量的角速率解算物体的姿态信息，其在无人 机及车载导航等领域得到了广泛应用。
[0003] 三轴陀螺仪的三个轴向（x轴、y轴、z轴）分别安装于三个正交面上，构成右手坐标 系。由于受陀螺仪自身工作原理、结构以及集成制造、安装等因素的影响，三轴陀螺仪的三 轴向之间不能正交，从而导致存在一定的测量误差，由于无人机及车载导航等系统的姿态 测量要求较高的准确度，基于此，对陀螺仪进行误差估计及校准具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种陀螺仪校准方法和装置，旨在补偿三轴陀 螺仪的输出值与真实值之间的偏差，提升三轴陀螺仪测量结果的准确度。
[0005] 为此，本发明公开如下技术方案：
[0006] -种陀螺仪校准方法，包括：
[0007] 获得三轴陀螺仪的三轴测量值；
[0008] 获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差；
[0009] 基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，得到 校准后的三轴测量结果。
[0010] 上述方法，优选的，所述获得三轴陀螺仪的三轴测量值包括：
[0011] 获得安装位置相对的一对三轴陀螺仪中第一陀螺仪的第一三轴输出值，及第二陀 螺仪的第二三轴输出值;其中，所述安装位置相对包括:所述第一陀螺仪的三个轴向与所述 第二陀螺仪的三个轴向分别对应相反；
[0012] 计算所述第一三轴输出值与所述第二三轴输出值在三个轴向的差分值；
[0013] 基于所述三个轴向的差分值，计算所述三轴陀螺仪的三轴测量值。
[0014] 上述方法，优选的，所述获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差包括：
[0015] 基于所述三轴陀螺仪在预设数量的多个预设标定位置处相应输出的多组三轴测 量结果，计算所述三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。
[0016] 上述方法，优选的，所述预设数量为4,所述预设数量的多个预设标定位置为:在东 北天坐标系的24种位置中选取的4种位置。
[0017] 上述方法，优选的，所述基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴 测量值进行校准，得到校准后的三轴测量结果包括：
[0018] 基于以下计算式对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准：
[0020]其中，[0X 0y 0Z]T表示校准后的三轴测量结果；
[0021] COmy C〇mZ]T表示所述三轴陀螺仪的三轴测量值；
[0022] [Dx Dy DZ]T表示常值误差；
[0024] 一种陀螺仪校准装置，包括：
[0025]第一获取模块，用于获得三轴陀螺仪的三轴测量值；
[0026]第二获取模块，用于获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差；
[0027]校准模块，用于基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量值 进行校准，得到校准后的三轴测量结果。
[0028]上述装置，优选的，所述第一获取模块包括：
[0029]获取单元，用于获得安装位置相对的一对三轴陀螺仪中第一陀螺仪的第一三轴输 出值，及第二陀螺仪的第二三轴输出值;其中，所述安装位置相对包括:所述第一陀螺仪的 三个轴向与所述第二陀螺仪的三个轴向分别对应相反；
[0030]第一计算单元，用于计算所述第一三轴输出值与所述第二三轴输出值在三个轴向 的差分值；
[0031] 第二计算单元，用于基于所述三个轴向的差分值，计算所述三轴陀螺仪的三轴测 量值。
[0032] 上述装置，优选的，所述第二获取模块包括：
[0033]第三计算单元，用于基于所述三轴陀螺仪在预设数量的多个预设标定位置处相应 输出的多组三轴测量结果，计算所述三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。
[0034]上述装置，优选的，所述校准模块包括：
[0035]校准单元，用于基于以下计算式对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准：
[0037]其中，[0X 0y 0Z]T表示校准后的三轴测量结果；
[0038] [?mx ?my ?mz]T表示所述三轴陀螺仪的三轴测量值；
[0039] [Dx Dy DZ]T表示常值误差；
[0041] 由以上方案可知，本申请公开了一种陀螺仪校准方法和装置，所述方法在获得三 轴陀螺仪的三轴测量值以及三轴陀螺仪的标度因子、常值误差的基础上，基于所述标度因 子及常值误差，对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，最终得到校准后的三轴测量结果。可 见，应用本申请方法，可有效补偿三轴陀螺仪由于零偏(常值误差）、标度因子所引起的测量 误差，从而提升了三轴陀螺仪测量结果的准确度，进而可提升应用三轴陀螺仪的无人机及 车载导航等系统的姿态测量的准确度。
【附图说明】
[0042] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0043] 图1是本申请实施例一提供的陀螺仪校准方法流程图；
[0044] 图2-图3是本申请实施例二提供的陀螺仪校准装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]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。
[0046] 实施例一
[0047]
【申请人】在对三轴陀螺仪进行误差研究的基础上，得出三轴陀螺仪由于安装精度和 装配工艺等原因引起的安装耦合误差的输出模型可以表示如下：
[0049]其中，[?mx ?my ?mz]T为三轴陀螺仪的三轴测量值，具体为三轴陀螺仪测量得到 的三轴角速度；[?x ?y ?z]T为真实的角速度;SU为线性刻度因子误差矢量，^为非正交 因子矢量，[D ux Duy DUZ]T为常值误差，[sux Suy SUZ]T为系统的噪声误差。
[0050] 令K = l+Su+Ulj以上式（1)可以表示为：
[0052] 在式(2)中，Kyx、Kzx表示三轴陀螺仪的x轴对应的安装耦合误差;Kxy、K zy表示三轴陀 螺仪的y轴对应的安装耦合误差;Kxz、Kyz表示三轴陀螺仪的z轴对应的安装耦合误差;K xx、 Kyy、Kzz分别表示三轴陀螺仪的3个敏感轴即X轴、y轴、Z轴对应的标定因数。
[0053]由于噪声对测量结果的影响较小，基于此，本实施例忽略噪声的影响，并将常值误 差标记为[Dx Dy DZ]T，从而依据以上的式(2)，可以得到以下式(3)示出的真实值即真实的 角速度值与三轴陀螺仪的三轴测量值间的函数关系：
[0055]在该式（3)中，[?x ?y ?Z]T具体表示真实的三轴角速度，由于本申请旨在对三 轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，以使得校准后的三轴测量结果尽量与真实值贴合，基于 此，在本申请中[Wx ? Z]T还可表示校准后的三轴测量结果；[?mx ?my ?mz]T表示三轴 陀螺仪的三轴测量值；[Dx Dy DZ]T表示常值误差：
表示标度因子。
[0056] 基于式(3)可知，可通过获取三轴陀螺仪的三轴输出值，以及三轴陀螺仪的标度因 子及常值误差，并基于获取的三轴陀螺仪的标度因子及常值误差对其三轴测量值进行校 准，来得到准确度较高、与真实值较为贴合的三轴测量结果。
[0057]在以上研究的基础上，本申请实施例一提出一种陀螺仪校准方法，该方法适用于 对三轴陀螺仪的三轴输出进行校准，以提升三轴陀螺仪测量结果的准确度，参考图1示出的 陀螺仪校准方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：
[0058] S101:获得三轴陀螺仪的三轴测量值。
[0059]具体实施本申请时，可通过直接读取陀螺仪输出的x轴、y轴、z轴的三轴角速度信 息，实现获得三轴陀螺仪的三轴测量值。
[0060] 在本申请其他实施例中，为了抑制温度漂移对测量结果的影响，提高测量结果的 精度，还可以使用一对三轴传感器，并使其安装位置相对，即安装时，使得所述一对传感器 中的第一传感器及第二传感器的三个轴向（X轴、y轴、Z轴)分别对应相反，此种安装方式若 不考虑温漂可以使得所述一对三轴传感器的测量结果大小相等方向相反，若考虑温漂，由 于两个三轴传感器温漂的方向性一致，因此，将两个三轴传感器输出的两组测量数据按轴 向进行差分运算(相减）即可得到2倍的测量值，从而在此基础上，基于差分运算所得的差分 值即可得到三轴陀螺仪的三轴测量值(分别对三个轴向的差分值进行半值运算）。采用该方 式可有效抑制温度漂移对测量结果的影响，提高测量结果的精度。
[0061] S102:获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。
[0062]三轴陀螺仪在东北天坐标系中共有24种位置，为了减少标定状态，本实施例选取 其中的4个位置进行标度因子及常值误差的计算。
[0063]其中，在东北天坐标系中的24种位置具体可参考如下的表1所示：
[0064]表 1
[0066] 本实施例具体选取将陀螺仪的敏感轴(x轴、或y轴、或z轴)指向东向或西向，这样 理论上地球自转速率在该轴向的分量为零，从而可简化校准过程，提高测量精度，本实施例 所选取的三轴陀螺仪的4个标定位置具体参考以下的表2。
[0067] 表 2
[0069]三轴陀螺仪的敏感轴指向东或西，则地球自转速率在该轴向的分量即为零，取上 述四个位置，可以推导出标度因子的相关参数的计算公式如下：
[0073] 其中，在式(4)(5)(6)中，表示当地的地理炜度，《 e表示地球的自转角速率。
[0074] 接下来，针对上述四个位置，为相应敏感轴朝向是东（西）设置一个可以接受的误 差限值e，即在不超过误差限值e的情况下，可以认为该敏感轴的朝向是东（西）。之后，在上 述四个位置中的每一位置处，均测量得到在该位置时三轴陀螺仪的一系列输出数值，并对 测量所得的一系列输出数值按轴向求取平均值（以减少噪声对实验结果的影响），从而得到 该位置处求取标度因子所需的陀螺仪测量结果参数《mxi、W myi、《mzi，其中，i = l，2,3,4,分 别对应上述四个位置。
[0075] 相对应地，如果不考虑噪声影响，为简化测量过程，也可以在每个位置处直接测量 一组输出值，并将其作为所述wmxi、《 myi、《mzi。具体实施本申请时，本领域技术人员可基于 实际考虑，选择合适的方式来获得所述陀螺仪测量结果参数《^、《 myl、
[0076] 在此基础上，可利用所述标度因子的陀螺仪测量结果参数c〇mxi、c〇mzi计算 三轴陀螺仪的标度因子。
[0077] 对于常值误差中的0\、〇7、02，则可以分别测量得出以上四个位置对应的四组三轴 陀螺仪输出值，并对四组输出值按轴向（x轴、y轴、z轴)求取平均值，得到所述Dx、Dy、D z，即具 体地，所述Dx、Dy、Dz可按以下方式计算得出：
[0078] Dx=三轴陀螺仪在4个位置的x轴测量值的均值；
[0079] Dy =三轴陀螺仪在4个位置的y轴测量值的均值；
[0080] Dz =三轴陀螺仪在4个位置的z轴测量值的均值。
[0081] 在实施本申请时，求取标度因子及常值误差所需的相关测量及计算过程具体可作 为预处理步骤预先完成，并对所得的标度因子及常值误差数据进行存储，从而在利用三轴 陀螺仪进行角速率信息测量，并对测量结果进行校准时，可直接读取存储的标度因子及常 值误差数据进行测量结果的校准。
[0082] S103:基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准， 得到校准后的三轴测量结果。
[0083]在以上步骤的基础上，本步骤具体可基于获取的三轴陀螺仪的标度因子及常值误 差，并利用以上的式(3)对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，从而可得到与真实值较为贴 合的三轴校准结果数值。
[0084]由以上方案可知，本申请公开了的陀螺仪校准方法，在获得三轴陀螺仪的三轴测 量值以及三轴陀螺仪的标度因子、常值误差的基础上，基于所述标度因子及常值误差，对三 轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，最终得到校准后的三轴测量结果。可见，应用本申请方 法，可有效补偿三轴陀螺仪由于零偏(常值误差）、标度因子所引起的测量误差，从而提升了 三轴陀螺仪测量结果的准确度，进而可提升应用三轴陀螺仪的无人机及车载导航等系统的 姿态测量的准确度。
[0085] 实施例二
[0086] 本实施例二公开一种陀螺仪校准装置，参考图2示出的陀螺仪校准装置的结构示 意图，所述装置包括第一获取模块1〇〇、第二获取模块200和校准模块300。
[0087] 第一获取模块100，用于获得三轴陀螺仪的三轴测量值。
[0088] 如图3所示，所述第一获取模块100包括获取单元101、第一计算单元102和第二计 算单元103。
[0089]获取单元101，用于获得安装位置相对的一对三轴陀螺仪中第一陀螺仪的第一三 轴输出值，及第二陀螺仪的第二三轴输出值;其中，所述安装位置相对包括:所述第一陀螺 仪的三个轴向与所述第二陀螺仪的三个轴向分别对应相反；
[0090] 第一计算单元102,用于计算所述第一三轴输出值与所述第二三轴输出值在三个 轴向的差分值；
[0091] 第二计算单元103,用于基于所述三个轴向的差分值，计算所述三轴陀螺仪的三轴 测量值。
[0092] 第二获取模块200,用于获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。
[0093]所述第二获取模块200包括第三计算单元201，用于基于所述三轴陀螺仪在预设数 量的多个预设标定位置处相应输出的多组三轴测量结果，计算所述三轴陀螺仪的标度因子 及常值误差。
[0094]校准模块300,用于基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量 值进行校准，得到校准后的三轴测量结果。
[0095]所述校准模块300包括校准单元301，用于基于以下计算式对三轴陀螺仪的三轴测 量值进行校准：
[0097]其中，[0X 0y 0Z]T表示校准后的三轴测量结果；
[0098] [comx comy comz]T表示所述三轴陀螺仪的三轴测量值；
[0099] [Dx Dy DZ]T表示常值误差；
[0101] 对于本发明实施例二公开的陀螺仪校准装置而言，由于其与实施例一公开的陀螺 仪校准方法相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见实施例一中陀螺仪校准方 法部分的说明即可，此处不再详述。
[0102] 为了描述的方便，描述以上系统或装置时以功能分为各种模块或单元分别描述。 当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0103] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可 借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质 上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品 可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备 (可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些 部分所述的方法。
[0104]最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语 仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何 其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备 不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方 法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的 要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0105]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种陀螺仪校准方法，其特征在于，包括： 获得三轴陀螺仪的三轴测量值； 获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差； 基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，得到校准 后的三轴测量结果。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得三轴陀螺仪的三轴测量值包括： 获得安装位置相对的一对三轴陀螺仪中第一陀螺仪的第一三轴输出值，及第二陀螺仪 的第二三轴输出值;其中，所述安装位置相对包括:所述第一陀螺仪的三个轴向与所述第二 陀螺仪的三个轴向分别对应相反； 计算所述第一三轴输出值与所述第二三轴输出值在三个轴向的差分值； 基于所述三个轴向的差分值，计算所述三轴陀螺仪的三轴测量值。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误 差包括： 基于所述三轴陀螺仪在预设数量的多个预设标定位置处相应输出的多组三轴测量结 果，计算所述三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设数量为4，所述预设数量的多个预 设标定位置为:在东北天坐标系的24种位置中选取的4种位置。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述标度因子及常值误差，对所 述三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准，得到校准后的三轴测量结果包括： 基于以下计算式对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准：其中，[?x ?Z]T表示校准后的三轴测量结果； [?mx ?my ?mz]T表示所述三轴陀螺仪的三轴测量值； [Dx Dy DZ]T表示常值误差；6. -种陀螺仪校准装置，其特征在于，包括： 第一获取模块，用于获得三轴陀螺仪的三轴测量值； 第二获取模块，用于获得三轴陀螺仪的标度因子及常值误差； 校准模块，用于基于所述标度因子及常值误差，对所述三轴陀螺仪的三轴测量值进行 校准，得到校准后的三轴测量结果。7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取模块包括： 获取单元，用于获得安装位置相对的一对三轴陀螺仪中第一陀螺仪的第一三轴输出 值，及第二陀螺仪的第二三轴输出值;其中，所述安装位置相对包括:所述第一陀螺仪的三 个轴向与所述第二陀螺仪的三个轴向分别对应相反； 第一计算单元，用于计算所述第一三轴输出值与所述第二三轴输出值在三个轴向的差 分值； 第二计算单元，用于基于所述三个轴向的差分值，计算所述三轴陀螺仪的三轴测量值。8. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二获取模块包括： 第三计算单元，用于基于所述三轴陀螺仪在预设数量的多个预设标定位置处相应输出 的多组三轴测量结果，计算所述三轴陀螺仪的标度因子及常值误差。9. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述校准模块包括： 校准单元，用于基于以下计算式对三轴陀螺仪的三轴测量值进行校准：其中，[?x ?Z]T表示校准后的三轴测量结果； [?mx ?my ?mz]T表示所述三轴陀螺仪的三轴测量值； [Dx Dy DZ]T表示常值误差；
【文档编号】G01C25/00GK106052719SQ201610621864
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月1日
【发明人】谢月
【申请人】中科创达软件股份有限公司