CN102538824A - 一种适用于mems imu重复多次标定的方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，包括以下步骤：(1)升级原始修正系数：将MEMS IMU恢复到出厂设置；(2)MEMS IMU重复标定：对陀螺和加速度计分别进行重新标定；(3)获得新的修正系数：计算出对陀螺和加速度计标定参数进行修正的新系数，将新系数写入二进制文件；(4)升级新的修正系数：MEMS IMU升级包含新系数的二进制文件，将新系数二进制文件写入闪存；(5)MEMS IMU上电后，读取闪存中的新修正系数，修正各项标定参数，获得更准确的角速度和加速度输出。本发明解决传统方法中进行重复标定前需要修改嵌入式软件的问题，减少对软件的依赖，简单便捷，适用于批量MEMS IMU产品的重复标定。

Description

一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，特别是一种使MEMS IMU无需更改软件便可多次重复标定的方法。 

背景技术

MEMS IMU作为一种由微传感器(微机械陀螺和加速度计)、微执行器(单片机或DSP)和电路集成的惯性测量装置，能实时提供载体的角速度与线加速度，目前在战术武器、汽车、工业控制等领域已获得广泛应用。 

MEMS IMU通过采集电路对微传感器(微机械陀螺和加速度计)的电信号进行采集，然后通过标度因数转换将电信号转换成角速度和加速度单位输出。标度因数转换所需的参数已经通过初始标定试验计算获得并存入闪存。由于环境因素的影响，MEMS IMU标度因数转换所需的参数会发生变化，需要进行重复标定，通常重复标定前需要更改DSP软件，使MEMS  IMU恢复电信号输出，然后进行标定试验，重新计算参数并更改DSP软件中相应值，最后将软件更改为标定后输出的状态，获得角速度和加速度信号。每一次重复标定都需要这个“改软件--重新标定--计算参数--改软件”过程。 

因此，上述MEMS IMU重复多次标定的方法在实际应用中存在的难点：(1)如何减少重新标定时对软件的依赖，避免多次改软件引入错误风险；(2)如何设计重复标定的方法，使重复标定简单便捷，适用于批量产品。 

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性和效率更高的MEMS IMU多次标定方法，解决传统方法中进行重复标定前需要修改嵌入式软件的问题，减少对软件的依赖，能够有效防止更改软件引入错误风险，简单便捷，适用于批量MEMS IMU产品的重复标定。 

本发明的技术解决方案：一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，其特征在于通过重复标定获得对原始标定参数的修正系数，包括以下步骤： 

(1)升级原始修正系数：将MEMS IMU恢复到出厂设置； 

(2)MEMS IMU重复标定：对陀螺和加速度计分别进行重新标定； 

(3)获得新的修正系数：计算出对陀螺和加速度计标定参数进行修正的新系数，将新系数写入二进制文件； 

(4)升级新的修正系数：MEMS IMU升级包含新系数的二进制文件，将新系数二进制文件写入闪存； 

(5)MEMS  IMU上电后，读取闪存中的新修正系数，修正各项标定参数，获得更准确的角速度和加速度输出。 

所述步骤(1)升级原始修正系数的实现步骤如下： 

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程； 

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数； 

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步； 

d、MEMS IMU将接收到的原始修正系数进行校验后，将原始修正系数写入闪存。 

所述步骤(4)升级新的修正系数的实现步骤如下： 

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程； 

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数； 

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步； 

d、MEMS IMU将接收到的新的修正系数进行校验后，将新的修正系数写入闪存。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

(1)MEMS IMU重复多次标定时只需先升级固定的原始修正系数二进制文件，然后直接进行标定试验，无需修改嵌入式软件使其恢复到原始值输出。降低了对软件的依赖程度，避免了修改软件引起的错误风险，提高了现有技术的安全性。 

(2)使用外部指令来控制MEMS IMU进行新修正系数升级，与外部总线输入输出数据的接口与MEMS IMU实现其正常功能的接口通用，简单便捷，适用于批量MEMS IMU产品的重复标定和修正系数升级，提高了现有技术的效率。 

(3)在MEMS IMU进行修正系数升级过程中出现任何问题，升级将停止。可以将MEMS IMU上电复位后重新开始升级流程，升级未成功不会对升级流程产生影响，提高了现有技术的可靠性。 

附图说明

图1为本发明的MEMS IMU重复多次标定方法流程图； 

图2为重复标定时升级修正系数主函数流程图； 

图3为重复标定时升级修正系数控制函数流程图。 

具体实施方式

适用于MEMS IMU多次标定的方法用于对MEMS IMU进行重复、多次的标定，其目的是可靠、高效地对MEMS IMU进行重复标定。本发明的特点在于：1、可多次对MEMS IMU进行重复标定，计算出标定参数的修正系数，而无需对软件进行更改；2、根据外部指令来控制MEMS IMU进行修正系数升级，与外部总线输入输出数据的接口与MEMS IMU实现其正常功能的接口通用，简单便捷，适用于批量MEMS IMU产品的重复标定和系数升级。3、在MEMSIMU进行系数升级过程中出现任何问题，升级将停止。可以将MEMS IMU上电复位后重新开始升级流程。 

如图1所示，为本发明的适用于MEMS IMU多次标定的方法，包括下列步骤： 

1、升级原始修正系数文件：主要是为将MEMS IMU恢复到出厂设置。通过外部指令控制MEMS IMU升级原始修正系数的参数文件，将包含原始修正系数的二进制文件写入闪存。所述的原始系数文件为一固定的二进制文件，MEMS IMU出厂时由厂家提供。 

如图2所示，MEMS IMU上电后，进行原始修正系数升级，升级过程如下： 

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程； 

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数； 

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步； 

d、MEMS IMU将接收到的原始修正系数进行校验后，将原始修正系数写入闪存。 

按所述步骤进行升级时，如果升级失败，需将MEMS IMU重新上电，然后按所述步骤重新开始升级流程。 

上位机对MEMS IMU的控制流程如图3所示。 

以微机械陀螺为例，出厂时MEMS IMU的陀螺的原始修正系数为K₁，b₁(K₁＝1，b₁＝0)，假设此时陀螺输入为ω_i，ω_i经过前期各项标定试验计算出的标定参数转换后输出ω_a，ω_a为未经过原始修正系数计算的值。陀螺的输出值ω_o为ω_a经过原始修正系数计算后输出： 

ω_o＝K₁ω_a+b₁..............................(1) 

如果陀螺标定参数准确，则ω_o＝ω_a≈ω_i，以一组试验数据为例， 

ω_i＝{-200，-100，-50，0，50，100，200}， 

ω_a＝{-200.11，-100.06，-50.01，-0.006，50.02，100.06，200.08} 

ω_o＝{-200.11，-100.06，-50.01，-0.006，50.02，100.06，200.08}， 

输出误差小于1‰。如果陀螺参数发生了变化，ω_i和ω_a有较大误差，而此时ω_o＝ω_a。以一组试验数据为例， 

ω_i＝{-200，-100，-50，0，50，100，200}， 

ω_a＝{-200.5，-100.3，-50.18，0.1，50.16，100.32，200.62} 

ω_o＝{-200.5，-100.3，-50.18，0.1，50.16，100.32，200.62} 

则公式1中的K₁，b₁参数已经不能准确修正陀螺输出； 

2、MEMS IMU重新标定：对MEMS IMU中陀螺仪与加速度计进行重复标定。标定方法有很多，例如静态多位置试验方法、角速率试验方法和分度头试验方法。针对不同量程和要求的MEMS IMU可以选择适合的标定试验方法。 

以微机械陀螺重新标定为例，采用角速率试验方法，利用转台给MEMS IMU输入一系列标称的角速度ω_i(i＝1，2，…，n)，将获得一系列相应的MEMS IMU输出值ω_o(i＝1，2，…，n)。以一组试验数据为例， 

ω_i＝{-200，-100，-50，0，50，100，200}， 

ω_a＝{-200.5，-100.3，-50.18，0.1，50.16，100.32，200.62} 

ω_o＝{-200.5，-100.3，-50.18，0.1，50.16，100.32，200.62} 

3、获得新的修正系数：计算出对陀螺和加表标定参数进行修正的新系数，将新系数写入二进制文件。 

下面以上述陀螺重新标定的数据为例计算陀螺的标定参数修正系数。计算的目的是使得ω_o≈ω_i，提高MEMS IMU的测量精度。 

将ω_a看做输入，ω_o看做输出，通过K_ω和b_ω的修正使得ω_o≈ω_i。可以按下式计算： 

ω_o＝K_ω·ω_a+b_ω.......................................(2) 

式中，ω_o--对应转台给定每一标称输入时的陀螺输出，°/s； 

K_ω--陀螺标度因数修正系数，无量纲； 

ω_a--未经过K_ω和b_ω修正系数计算的输出，°/s； 

b_ω--陀螺标定零位修正系数，°/s。 

由下式计算各个系数： 

$K_{\mathrm{\ω}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{oi}}-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{oi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}^2-\frac{1}{n}{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}\right)}^2}---\left(3\right)$

$b_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{oi}}-\frac{K_{\mathrm{\ω}}}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ai}}---\left(4\right)$

式中，ω_ai--第i校准点对应的未修正输出量，°/s； 

ω_oi--第i校准点陀螺仪输出角速率，°/s。 

将步骤(2)中的数据代入公式(3)和(4)中，令ω_a＝{-200.5，-100.3，-50.18，0.1，50.16，100.32，200.62} 

ω_o＝ω_i＝{-200，-100，-50，0，50，100，200} 

可计算得到： 

K_ω＝0.99712246，b_ω＝-0.0313381。 

令ω_o＝K_ω·ω_a+b_ω，则ω_a经过新修正系数计算得到 

ω_o＝{-199.954 -100.0427 -50.0669 0.0683 49.9843 100 200.0114}； 

此时经过修正系数校正的输出值ω_o≈ω_i，实现了二次标定的目的。 

通过上述方法可获得陀螺两项标定参数(标度因数和标定零位)的修正系数，采用分度头试验方法和静态多位置试验方法，可获得陀螺其他标定参数(如安装误差)和加表各项标定参数的修正系数。 

通常情况下，MEMS IMU中陀螺仪和加速度计的标定参数均为标度因数、标定零位和安装误差。根据上述步骤(2)中的试验数据和新的标度因数和标定零位，也可以获得安装误差的新修正系数。一般情况下陀螺安装误差原始修正系数为A₁， $A_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$ 假设此时陀螺输入为ω_i，ω_i经过前期各项标定试验计算出的标定参数转换后输出ω_a，而ω_o为ω_a经过ω_o＝K_ω·ω_a+b_ω校正后的输出。假 设ω_ot为ω_o经过A₁计算后得到的角速度输出值： 

ω_ot＝A₁×ω_o..............................(5) 

其中 ${\mathrm{\ω}}_o=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xo}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yo}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zo}}\end{array}\right],{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ot}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xot}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yot}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zot}}\end{array}\right].$

如上所述，步骤(2)中的试验数据经过标度因数修正系数K_ω、零位修正系数b_ω和原始修正系数A₁的修正计算，可获得一系列相应的MEMS IMU输出值ω_ot。假设对X轴进行试验时，X轴的转速最大时X轴陀螺的输出为ω_xot，此时Y、Z轴的输出分别为ω_yot、ω_zot。则通过公式(6)可得到X轴对Y轴的安装误差修正系数θ_XY、X轴对Z轴的安装误差修正系数θ_XZ。 

θ_XY＝ω_yot/ω_xot

                   ..............................(6) 

θ_XZ＝ω_zot/ω_xot

同理，对Y轴进行试验时，Y轴转速最大时Y轴陀螺的输出为ω_yot，此时X、Z轴的输出分别为ω_xot、ω_zot。则通过公式(7)可得到Y轴对X轴的安装误差修正系数θ_XY、Y轴对Z轴的安装误差修正系数θ_XZ。 

θ_YX＝ω_xot/ω_yot

                   ..............................(7) 

θ_XZ＝ω_zot/ω_yot

同理，对Z轴进行试验时，Z轴转速最大时Y轴陀螺的输出为ω_zot，此时X、Y轴的输出分别为ω_xot、ω_yot。则通过公式(8)可得到Z轴对X轴的安装误差修正系数θ_ZX、Z轴对Y轴的安装误差修正系数θ_XZ。 

θ_ZX＝ω_xot/ω_zot

                   ..............................(8) 

θ_ZY＝ω_yot/ω_zot

令新的安装误差修正系数为 

$A_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{ccc}1& -{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{YX}}& -{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ZX}}\\ -{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{XY}}& 1& -{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ZY}}\\ {-\mathrm{\θ}}_{\mathrm{XZ}}& -{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{YZ}}& 1\end{array}\right]---\left(9\right)$

通过上述数学计算方法可获得安装误差修正系数。 

获得所需的各项修正系数后，根据MEMS IMU输入输出数据格式的要求，将其生成二进制文件。 

4、升级新的修正系数：通过外部指令控制MEMS IMU升级包含新系数的二进制文件，将新系数写入闪存。 

MEMS IMU上电后，进行新的修正系数升级，如图2所示，升级过程如下： 

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程； 

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数； 

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步； 

d、MEMS IMU将接收到的新的修正系数进行校验后，修正系数写入闪存。 

按所述步骤进行升级时，如果升级失败，需将MEMS IMU重新上电，然后按所述步骤重新开始升级流程。 

5、MEMS  IMU上电后，读取闪存中的新修正系数。通过数学计算方法来修正各项标定参数，获得更准确的角速度和加速度输出。 

MEMS IMU上电后，读取闪存中的新修正系数，通过计算方法ω_o＝K_ω·ω_a+b_ω来修正由于标定参数不准确而造成的陀螺和或加表输出，同时通过ω_ot＝A_ωω_o来消除安装误差的影响，获得更准确的角速度和加速度输出。 

本说明书未尽事宜属于本领域技术人员公知技术。 

Claims (3)

1.一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，其特征在于通过重复标定获得对原始标定参数的修正系数，包括以下步骤：

(1)升级原始修正系数：将MEMS IMU恢复到出厂设置；

(2)MEMS IMU重复标定：对陀螺和加速度计分别进行重新标定；

(3)获得新的修正系数：计算出对陀螺和加速度计标定参数进行修正的新系数，将新系数写入二进制文件；

(4)升级新的修正系数：MEMS IMU升级包含新系数的二进制文件，将新系数二进制文件写入闪存；

(5)MEMS IMU上电后，读取闪存中的新修正系数，修正各项标定参数，获得更准确的角速度和加速度输出。

2.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，其特征在于所述步骤(1)升级原始修正系数的实现步骤如下：

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程；

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数；

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步；

d、MEMS IMU将接收到的原始修正系数进行校验后，将原始修正系数写入闪存。

3.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS IMU重复多次标定的方法，其特征在于所述步骤(4)升级新的修正系数的实现步骤如下：

a、MEMS IMU加电后，接收上位机发送的升级指令，如果接收到升级指令则进入步骤b，如果没有接收到升级指令则进入正常工作流程；

b、MEMS IMU响应升级指令，进入升级状态，接收升级系数；

c、判断升级系数是否接收完整，没有接收完整则继续接收，接收完整则转入下一步；

d、MEMS IMU将接收到的新的修正系数进行校验后，将新的修正系数写入闪存。

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