[發明專利]基于MEMS的MARG傳感器的自主校準方法

在審

• 申請號: 202010029881.5
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111189474A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 劉宇宇;何瑞;董亞軍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 西安睿通知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 61218
• 代理人: 蔡龍寶

本發明公開了基于MEMS的MARG傳感器的自主校準方法，包括三步校準，首先對于三軸加速度計的誤差校正，先應用橢球擬合法對加速度計進行誤差校正，得到加速度計在經過校正之后提供的重力矢量；接著：對于三軸磁強計的誤差校準，以第一步校準得到的加速度計提供的重力矢量作為點積不變法的輔助矢量，對磁強計進行校正；最后，對于三軸陀螺儀的誤差標定，利用前面經過校準后的三軸矢量場的測量值作為內部參考基準，用叉積標定法對陀螺儀進行標定。本發明提供的校準方法對于低精度的MEMS傳感器的性能提升尤為顯著，并且具有低成本的優點。

技術領域

本發明涉及慣性導航系統技術領域，尤其涉及基于MEMS傳感器的自主校準方法。

背景技術

慣性導航系統是完備的三維航位推算導航系統，可以自主的輸出三維導航信息。慣性傳感器包括加速度計和陀螺儀。慣性測量單元(IMU)是慣性導航系統中的傳感部件，是一組慣性傳感器，包含多個加速度計和多個陀螺儀，通常是3個陀螺儀和3個加速度計，以實現三維的比力和角速率的測量。關于慣性傳感器的技術，不管是采用同一門技術設計，還是依據各自不同的原理開發，各種慣性傳感器在體積、重量、性能和成本等方面都存在幾個數量級的差別。一般來講，慣性傳感器的精度越高，相應的體積、重量越大，成本也越高。

目前，慣性傳感器的發展方向主要集中于微機電系統(MEMS)，基于MEMS技術的慣性傳感器是慣性器件中的一個新興種類。商品化的MEMS器件直到20世紀90年代才出現，但由于器件可直接在硅片表面加工而成，不僅體積與重量極其微小，而且十分便于大批量生產，從而在成本上具有無可比擬的優勢。另外，相比于傳統的機械式設計和光學設計，MEMS傳感器表現出非常優良的抗沖擊性能。然而，目前大多數的MEMS傳感器精度相對比較低。因此，傳感器非常適合于低成本、低精度應用場合，例如消費類電子產品、微型無人飛行器、人體運動姿態測量、微型衛星等。

在導航系統技術中為了能獲取載體的三軸姿態，即載體的三個歐拉角(航向角、俯仰角、橫滾角)數據，系統內部需要包含多種沿三個正交軸向安裝的(或稱作三軸捷聯式的)傳感器，而MARG傳感器組合就是其中的一種典型配置。基于MEMS的三軸磁強計，三軸加速度計和三軸陀螺儀這三種傳感器的組合(即MARG傳感器)，提供了一種可用于測量載體姿態以及導航定位便捷可靠的手段。

基于MARG傳感器的相關產品雖然已經面世并得到了廣泛的使用，但是仍然有若干問題值得深入研究和探討。首先就是傳感器的誤差校正與補償問題。如前所述，MEMS傳感器精度較低，尤其是面向低成本應用的MEMS器件，其包含的各類誤差對姿態測量精度影響甚大。另一方面，由于地磁場的磁感應強度較弱，因而磁強計容易受到其他磁場的干擾，尤其是來自載體的磁場干擾。為此，MARG傳感器組合在使用前必須進行誤差校正與補償。此外，對于面向低成本的應用，其采用的誤差校正方法必須同樣適應低成本的特點，而其補償效果又需滿足實際應用的要求。故而，針對低成本的MARG傳感器組合，需要尋找簡捷而有效的誤差校正與補償方法，其對操作者和設備的要求應盡可能低，其校正效果應從原理上而非通過應用場合的人力物力投入予以保證。一般情況下，對傳感器誤差的校正和補償處理，可以明顯改變其性能，這一點對于MEMS傳感器尤其顯著。同時，MEMS傳感器出現后，其低成本的特點促使研究者們一直在尋找更簡捷的校正方法。

發明內容

本發明的主要目的在于提供基于MEMS傳感器的MARG傳感器的自主校準方法，特別是在無外部設備輔助條件下的校正方法。通過降低對校準所需的外部設備條件的要求以減少投入成本，使得該傳感器更好的面向低成本的應用場合并且發揮出最佳的性能。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：

基于MEMS的MARG傳感器的自主校準方法，通過三步輔助校準的方法，分為以下三個步驟：

第一步校準：對于三軸加速度計的誤差校正，先應用相關理論及方法研究較成熟的橢球擬合法對加速度計進行誤差校正，得到加速度計在經過校正之后提供的重力矢量；