微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型及方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，涉及一种微机电惯性系统高阶耦合误差补偿方法。

背景技术

基于微机电惯性仪表的惯性测量单元、惯性导航系统、组合导航系统以及位置姿态测量系统等微机电惯性系统由于具有体积小、重量轻、成本低等优点，在众多领域得到了广泛应用，其中，制导弹药导航制导系统、高动态无人机飞控系统、火控系统、雷达天线运动补偿等领域对微机电惯性测量单元测量提出了高精度角速度及加速度测量要求，但是由于上述领域的高动态、恶劣温度/力学使用条件引入了较大的非线性误差及耦合误差，导致微机电惯性系统惯性测量及导航精度下降，制约了微机电惯性系统的应用。

发明内容

针对微机电惯性系统在高动态/恶劣力热使用条件非线性误差及耦合误差大导致载体角速度/加速度惯性测量及惯性导航精度下降的问题，本发明目的在于提出一种微机电惯性系统高阶耦合误差补偿方法，可有效提高上述误差的补偿精度。

为实现本发明目的，本发明提出的微机电惯性系统高阶耦合误差模型，采取技术方案如下：

针对高加速度条件下引入的非线性测量误差，建立了加速度测量误差三阶补偿模型，见公式(1)所示：

式中，

K

S

K

K

K

a

N

T

式中，

D

S

K

K

ω

N

根据本发明的又一方面，提供了基于所述微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型的误差补偿方法，包括如下步骤：

步骤1.在全温度范围内对加速度高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定，方法为：在全温范围内取n个温度点，获得不同温度点下的二次项误差系数K

步骤2.对加速度二次项误差系数、三次项误差系数和角速度二次项误差系数建立全温度下的误差模型；

步骤3.基于步骤2建立的误差模型，根据设定的温度获得该温度下的加速度二次项误差系数、三次项误差系数和角速度二次项误差系数，基于所述的微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型，获得误差补偿后的加速度和角速度。

进一步的，在某一温度点下，对加速度高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定，方法如下：

在加速度量程[-Ar,Ar]范围内取m个测量点a

令某轴向输入为：

令某轴向输出为：

Y

令某待求加速度计误差系数矩阵为：

K

则，

由此获得加速度计X轴向、Y轴向、Z轴向的加速度计二次项误差系数和三次项误差系数K

优选地，所述测量点a

进一步的，在某一温度点下，对角速度高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定，方法如下：

在角速度量程[-Wr,Wr]范围内取p个测量点ω

令某轴向输入为：

令某轴向输出为：

Y

令某待求角速度误差系数矩阵为：

K

则，K

由此获得X轴向、Y轴向、Z轴向的角速度二次项误差系数K

优选地，所述测量点ω

进一步的，对加速度计二次项误差系数K

F

式中，F

a

进一步的，所述相关系数a

令n个温度点下标定的某一加速度或角速度误差系数组成的数组为：

Y

令n个温度点组成的温度矩阵为：

设待求误差系数矩阵为：

A

则，A

基于上述方法分别求得K

进一步的，对于精度要求不高的应用需求，所述加速度计二次项误差系数 K

本发明与现有技术对比，有益效果如下：

本发明针对高加速度条件下引入的非线性测量误差，建立了加速度测量误差三阶补偿模型，相对于常规的一阶模型，本发明所述模型在高加速度条件下 (一般＞50g)精度更高，与三阶以上模型相比，本发明所述模型计算量小，且精度相当。针对大角速度引入的条件下引入的非线性测量误差，建立二阶角速度测量误差模型，相对于常规的一阶模型，本发明所述模型在大角速率条件下 (一般＞500°/s)精度更高。

本发明提出一种微机电惯性系统高阶耦合误差补偿方法，降低了微机电惯性系统在高动态/恶劣力热使用条件的加速度和角速度测量的非线性误差及耦合误差。相对于传统补偿模型和补偿方法，本发明提出的补偿方法既可满足高动态全温条件下的高精度补偿需求，也可针对精度需求不高的应用场景进行裁剪，降低标定复杂度，适应性更强。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明提出的微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型，具体如下：

针对高加速度条件下引入的非线性测量误差，建立了加速度测量误差三阶补偿模型，见公式(1)所示，获得耦合误差补偿后的角速度输出。针对大角速度引入的条件下引入的非线性测量误差，建立二阶角速度测量误差模型，见公式(2)所示，获得耦合误差补偿后的角速度输出。

式中，K

S

K

K

K

a

N

T

上式中，D

S

K

K

ω

N

基于所述的微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型，根据本发明的又一方面，提供了微机电惯性系统高阶耦合误差补偿方法。

作为本发明的实施例，提供的微机电惯性系统高阶耦合误差补偿方法包括如下步骤：

步骤1.在常温条件下，分别对加速度和角速度的高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定。

在常温条件下，在加速度量程范围内，分别依次在惯性系统三轴方向给定m 个恒定加速度，采集获得惯性系统在三轴方向上每个加速度点处的平均输出，从而获得加速度计二次项误差系数K

在常温条件下，在角速度量程范围内，分别依次在惯性系统三轴方向给定p 个恒定角速度，采集获得惯性系统在每个角速度点处的平均输出，从而获得角速度二次项误差系数K

步骤2.在全温范围内,分别对加速度和角速度的高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定。

在全温范围内取n个温度点，采用与步骤1所述常温标定相同方法，获得不同温度点下的加速度二次项误差系数K

步骤3.对加速度和角速度各误差系数建立全温度下的误差模型。

为了补偿高动态及恶劣力热环境条件下的耦合测量误差，对加速度计二次项误差系数K

F

式中，F

a

步骤4.误差补偿后的加速度和角速度获取

基于步骤3建立的全温度下的误差模型，根据设定的温度获得该温度下的加速度二次项误差系数、三次项误差系数和角速度二次项误差系数，基于所述的微机电惯性系统高阶耦合误差补偿模型，获得误差补偿后的加速度和角速度。

进一步的，步骤1中常温条件下对加速度高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定，方法如下：

为标定常温条件下的加速度计二次项误差系数K

下面以获取X轴向的加速度计二次项误差系数和三次项误差系数为例，对误差系数标定进行说明。

在精密离心台上依次在惯性系统X轴方向给定恒定加速度 a

Y

待求加速度计二次项误差系数矩阵为：

K

则，K

其中，K

同理，基于上述方法获得Y轴向、Z轴向的加速度计二次项误差系数和三次项误差系数K

进一步的，步骤1中所述常温条件下对角速度高阶耦合误差补偿模型进行误差系数标定，方法如下：

为标定常温条件下的角速度二次项误差系数K

下面以获取X轴向的角速度二次项误差系数为例，对误差系数标定进行说明。

在转台上依次在惯性系统X轴方向给定恒定角速度ω

Y

待求角速度二次项误差系数矩阵为：

K

则，K

其中，K

同理，基于上述方法获得Y轴向、Z轴向的角速度二次项误差系数K

进一步的，步骤3中所述全温误差模型相关系数a

为了获得温度相关系数a

下面以加速度计二次项误差系数K

令n个温度点下标定的二次项误差系数K

Y

令n个温度点组成的温度矩阵为：

待求系数矩阵为：

A

则，A

同理，基于上述方法可求得K

对于精度要求不高的应用需求，为了简化全温标定过程，加速度计二次项误差系数K

下面结合一具体实施例对本发明进一步进行说明。

选用微机电惯性测量单元，按照本发明的方法对加速度计二次项误差系数 K

1)将温箱温度设定为20℃，标定加速度计二次项误差系数K

令

Y

待求系数矩阵K

2)温箱温度依次设定为60℃、40℃、-40℃、-20℃、-50℃，重复步骤1)，获得5个不同温度点下的加速度计二次项误差系数K

为了计算a

Y

令6个温度点组成的温度矩阵为：

待求系数矩阵为：A

则，A

同理，基于上述方法可求K

3)将温箱温度设定为20℃，为标定常温条件下的角速度二次项误差系数 K

令

Y

待求系数矩阵K

4)温箱温度依次设定为60℃、40℃、-40℃、-20℃、-50℃，重复步骤3)，获得5个不同温度点下的角速度二次项误差系数K

为了计算a

Y

令6个温度点组成的温度矩阵为：

待求系数矩阵为：A

则，A

同理，基于上述方法可求K

5)根据步骤1)～步骤4)得到的陀螺、加表补偿系数进行补偿，补偿后加速度和角速度测量误差降低90％以上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。