一种惯性测量组件温度补偿方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，具体涉及一种惯性测量组件温度补偿方法。

背景技术

捷联惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)是惯导系统的核心组件，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。其惯性测量单元(IMU)主要由3个光纤陀螺和3个加速度计组成，敏感载体相对惯性空间的角速度，及相对惯性空间的线性运动信息，为载体导航提供必要支持。

作为惯性测量单元核心测量部件的陀螺仪和加速度计具有温度特性，温度变化对输出结果会产生较大影响。在常温下标定的参数如果应用在高温或者低温环境下进行导航，会严重降低导航精度。因此在一定的测试条件下，对惯性测量单元进行全工作温度范围的温度补偿，是很有必要的。对惯性组件进行全温温补，主要方法通过温箱升降温来标定惯性组件，如果用平台温箱只能进行零偏温度系数的标定辨识，要对标度进行温度辨识，需要带温箱的两轴以上转台，但是该设备价格昂贵，不是一般公司能够购买的。随着测试技术、计算机技术的不断发展以及对惯性测量产品成本的要求越来越高，采用合理有效快速的补偿标定方法成为产品生产过程的重要一环。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种惯性测量组件温度补偿方法，通过拟合惯性测量组件的输出和温度的函数关系，得到多项式温度补偿模型的标度和零偏的温度补偿系数，并通过平台温箱和六面体工装，从而解决了传统平台温箱只能对零偏温度进行温度辨识的问题，实现对惯性测量组件的全温标度和零偏温度补偿。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种惯性测量组件温度补偿方法，包括以下步骤：

S1、在-40℃～+65℃的温度范围内，从-40℃开始，以1℃/min的温度变化率，每间隔1s，录取该温度点下惯性测量组件输出数据和惯性测量组件温度数据；

S2、根据所述得到的惯性测量组件输出数据及温度数据，确定惯性测量组件的输出与温度的函数关系，建立标度温度补偿模型和零偏温度补偿模型；

S3、根据所述得到的惯性测量组件输出数据及温度数据，通过最小二乘法对标度温度补偿模型和零偏温度补偿模型进行拟合，获取各温度补偿模型拟合系数；

S4、设定基准温度点，分别带入标度温度补偿多项式和零偏温度补偿多项式分别得到经温度补偿后的基准温度点的拟合输出；

S5、根据标度拟合系数和标度基准温度点的拟合输出相除，得到标度温度补偿系数，根据零偏拟合系数中与温度无关项与零偏基准温度点的拟合输出做差，得到零偏温度补偿系数；

S6、根据所述标度温度补偿系数和零偏温度补偿系数，对惯性测量组件进行温度补偿，并得到补偿零偏和标度后的补偿结果。

优选的，所述S1包括：

S101、将惯性测量组件安装在六面体工装上，并将所述惯性测量组件与六面体工装放置在平台温箱上；惯性测量组件通电检测，检测通过后将惯性测量组件关机，并设置温箱快速降温至-40℃，并保温2h；

S102、惯性测量组件加电开机，每间隔1s调试上位机录取惯性测量组件输出数据和惯性测量组件温度数据；

S103、每间隔2min翻转一次惯性测量组件，且确保惯性测量组件每个轴都朝天、朝地对称位置放置，重复步骤S102；

S104、重复步骤S103，直至升温至65℃，得到该温度点下惯性测量组件的输出数据和温度数据。

优选的，步骤S2中，标度温度补偿模型：y

式中，y

优选的，步骤S3中，根据

式中，

优选的，步骤S5中，通过如下公式得到标度温度补偿系数和零偏温度补偿系数：

CoefK＝CoefK/PredictionK0；

CoefBias＝CoefBias-PredictionBias0；

式中，CoefK表示标度温度补偿系数，CoefBias表示零偏温度补偿系数，PredictionK0表示标度基准温度点的拟合值，PredictionBias0表示零偏基准温度点的拟合值。

优选的，步骤S6中，通过如下公式得到补偿零偏和标度后的标定数据补偿结果：

N＝1/CoefK*(measurement-CoefBias)；

式中，N表示补偿零偏和标度后的标定数据补偿结果，CoefK表示标度温度补偿系数，measurement表示测量值，CoefBias表示零偏温度补偿系数。

与现有技术相比，本发明技术原理具有如下有益效果：

本发明提供的一种惯性测量组件温度补偿方法，可在导航计算机中运行，利用多项式建模对惯性测量组件全温区范围内的零偏及标度因数进行拟合，极大程度地拟合了惯性测量组件的温度特性；利用最小二乘得到温度补偿模型的标度和零偏的补偿系数，对惯性组件全温补偿。本发明提出的温度补偿方法通过IMU的三个输入轴与六面体底面保持相同夹角的方式，降低了标定时间，并减少了人力及设备能耗等资源费用，标定过程对称翻转位置摆放，去除了零偏与标度的耦合关系，使其分离在惯组温度标定补偿时互不影响；在数据录取的过程中，利用上位机进行自动录取，过程简单，具有较高的工程应用价值。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的提供的温度补偿效果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明提供的一种惯性测量组件温度补偿方法，利用惯性测量组件的输出与温度的函数关系，拟合温度补偿多项式，获得温度补偿模型补偿系数，用于对惯性测量组件温度漂移的补偿。

发明公开了一种惯性测量组件温度补偿方法，包括以下步骤：

S1、在-40℃～+65℃的温度范围内，从-40℃开始，以1℃/min的温度变化率，每间隔1s，录取该温度点下惯性测量组件输出数据和惯性测量组件温度数据；

S2、根据所述得到的惯性测量组件输出数据及温度数据，确定惯性测量组件的输出与温度的函数关系，建立标度温度补偿模型和零偏温度补偿模型；

S3、根据所述得到的惯性测量组件输出数据及温度数据，通过最小二乘法对标度温度补偿模型和零偏温度补偿模型进行拟合，获取各温度补偿模型拟合系数；

S4、设定基准温度点，分别带入标度温度补偿多项式和零偏温度补偿多项式分别得到经温度补偿后的基准温度点的拟合输出；

S5、根据标度拟合系数和标度基准温度点的拟合输出相除，得到标度温度补偿系数，根据零偏拟合系数中与温度无关项与零偏基准温度点的拟合输出做差，得到零偏温度补偿系数；

S6、根据所述标度温度补偿系数和零偏温度补偿系数，对惯性测量组件进行温度补偿，并得到补偿零偏和标度后的补偿结果。

下面对本发明中部分环节做进一步的详细说明。

所述S1包括：

S101、将惯性测量组件安装在六面体工装上，并将所述惯性测量组件与六面体工装放置在平台温箱上；惯性测量组件通电检测，检测通过后将惯性测量组件关机，并设置温箱快速降温至-40℃，并保温2h；

S102、惯性测量组件加电开机，每间隔1s调试上位机录取惯性测量组件输出数据和惯性测量组件温度数据；

S103、每间隔2min翻转一次惯性测量组件，且确保惯性测量组件每个轴都朝天、朝地对称位置放置，重复步骤S102；

S104、重复步骤S103，直至升温至65℃，得到该温度点下惯性测量组件的输出数据和温度数据。

步骤S2中，标度温度补偿模型：y

式中，y

步骤S3中，根据

式中，

步骤S5中，通过如下公式得到标度温度补偿系数和零偏温度补偿系数：

CoefK＝CoefK/PredictionK0；

CoefBias＝CoefBias-PredictionBias0；

式中，CoefK表示标度温度补偿系数，CoefBias表示零偏温度补偿系数，PredictionK0表示标度基准温度点的拟合值，PredictionBias0表示零偏基准温度点的拟合值。

步骤S6中，通过如下公式得到补偿零偏和标度后的标定数据补偿结果：

N＝1/CoefK*(measurement-CoefBias)；

式中，N表示补偿零偏和标度后的标定数据补偿结果，CoefK表示标度温度补偿系数，measurement表示测量值，CoefBias表示零偏温度补偿系数。

实施例：

为了对本发明提供的惯性测量组件温度补偿方法进行进一步的验证，本发明还通过如下的检验案例，来加以进一步的说明。

设备温箱温度范围为-40℃～+65℃，温度变化率为1℃/min，惯性测量组件安装在六面体工装上，并放置在平台温箱的平台上，IMU的三个输入轴与六面体的底面有相同夹角，初始设备温箱温度为-40℃，并保温2h，使得惯性测量组件冻透，保证惯性测量组件温度平衡；每间隔2分钟翻转一次惯性测量组件，且每间隔1秒，调试上位机录取全温数据。

采用本发明提出的惯性组件的多项式拟合模型进行标度和零偏全温补偿，并将补偿前结果与补偿零偏后结果和补偿标度后结果及补偿零偏标度后结果进行对比，以验证本模型的补偿性能。

通过实际设备标定数据补偿结果的对比图1可以看出，在本实施例中，补偿前结果与补偿零偏标度后结果相比，本发明模型通过多项式拟合模型拟合系数，并通过与温度无关系的处理方法，得到标度温度补偿系数与零偏温度补偿系数进行温度补偿。本发明模型所给给出的补偿结果，对惯性组件进行零偏和标度补偿，使惯性组件输出不受温度影响，表现了更好的补偿效果，从而证明本发明模型的补偿精度更高。本发明模型标定了零偏和标度受温度的影响，在标定过程中，通过自动录取的方式，过程简单，并通过对称翻转位置摆放去除了零偏与标度的耦合关系，使其分离在惯组温度标定补偿时互不影响。

综上所述，本发明构建了惯性组件的多项式拟合模型，通过平台温箱和六面体工装来实现对惯性组件的全温标度和零偏温度误差补偿，整个标定时间8小时就可以完成，通过自动录取的方式，完成数据采集，降低了标定时间，并减少了人力及设备能耗等资源费用；在标定的过程中，通过对称位置(输入轴朝天和地)翻转，去除了零偏与标度的耦合关系，使其分离在温度补偿互不影响；标定完成后，通过公式编写程序计算温度补偿系数，提高了工程应用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。