[发明专利]一种惯性测量单元的快速标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其是一种惯性测量单元的快速标定方法。

背景技术

近年来随着微机电系统MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)技术的发展而产生的MEMS IMU(惯性测量单元)具有成本低(大批量时)、尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，使其广泛应用于人们生活的各方各面。越来越多的消费类产品中装入了三轴陀螺和加速度计，从而构成了MEMS IMU，用户可以选择他们感兴趣的应用，如游戏、多媒体、个人导航等。

但是，MEMS传感器性能(尤其是零偏和比例因子)随着使用环境(尤其是温度)变化大仍是一个明显问题。这个问题可以通过标定来解决，即通过标定来确定传感器的误差参数，并在IMU使用过程中进行补偿。

传统的标定方法大多依赖专业的标定设备，或耗时较长，难以满足针对消费类产品不依赖外部设备、快速、简单易行的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种对惯性测量单元的快速标定的方法，该方法可以在没有任何外部设备、基准的情况下对惯性测量单元进行标定。使用该方法对惯性传感器的零偏和比例因子进行标定，提高其使用精度。

本发明的技术解决方案为一种惯性测量单元的快速标定方法，包括以下步骤：

步骤1，在惯性测量系统开机预热后，判断是否已知惯性测量单元的初始水平姿态角，是则直接进入步骤3，否则进入步骤2；

步骤2，将惯性测量单元保持一段时间的静态，根据静态时段的加速度计测量信息和陀螺测量信息，近似计算惯性测量单元的初始水平姿态角；

步骤3，任意设定惯性测量单元的初始航向姿态角；

步骤4，将惯性测量单元绕其测量中心旋转，并基于已知的初始水平姿态角或步骤2所得初始水平姿态角及步骤3所得初始航向姿态角，通过标定解算得到待估的陀螺参数和加速度计参数；计算时将惯性测量单元的位置变化量以及速度变化量均设定为零，分别作为伪位置观测信息和伪速度观测信息。

而且，步骤1中将惯性测量单元保持一段时间的静态和步骤2中将惯性测量单元绕其测量中心旋转，采用手工操作实现或者其它机器设备操作实现。

而且，步骤4采用卡尔曼滤波标定方法进行标定计算，具体实现方式如下，步骤4.1，对卡尔曼滤波标定方法的整个标定计算过程进行建模，得到标定模型；基于已知的初始水平姿态角或步骤2所得初始水平姿态角及步骤3所得初始航向姿态角设置标定模型中相关参数的初值，进行标定算法初始化；

步骤4.2，将惯性测量单元绕其测量中心旋转，同时采用标定模型进行实时数据处理；

步骤4.3，判断待估IMU参数是否已收敛至相应的预设精度，是则进入步骤4.4，否则继续执行步骤4.2；

步骤4.4，标定动作完成，直接进入步骤4.5，或者对数据进行一次反向平滑后进入步骤4.5；

步骤4.5，标定完成，获得待估的陀螺参数和加速度计参数。

本发明具有如下技术效果：

1.本标定方法不需要任何外部设备或装置来辅助标定。对标定动作也没有严格要求，手持IMU绕IMU测量中心采用充足的无精度要求的旋转运动即可完成；另提供一些动作指导，可以进一步提高标定效率和精度；

2.该标定方法可以在短时间内较精确地同时标定出加速度计和陀螺的零偏和比例因子，整个过程可以在30秒左右完成；若按照本方法中提供的动作指导，可进一步缩短时间；

3.本标定方法利用了GPS(全球导航卫星系统)/INS(惯性导航系统)组合导航算法来对中低精度的IMU传感器零偏和比例因子进行标定。使用伪观测信息取代GPS测量信息来完成对参数的估计。

4.伪观测信息的提出是本标定方法的关键。伪观测信息包括伪位置观测和伪速度观测。二者的思想是认为IMU的位置和线速度的变化范围是有限的。可同时使用伪位置和伪速度信息作为量测信息，也可只取其一。位置和速度的变化范围在系统的量测误差矩阵中体现，既可根据实际操作情况进行设置，也可由程序自适应地完成。伪位置和伪速度观测信息的采用省去了大多数标定方法对IMU在各个方向上静止一段时间的要求，提高了标定效率和标定操作的方便性。除了上述伪位置和伪速度观测信息外，本发明也可采用标定过程中IMU的其它运动特征作为伪观测量。