CN108286987A - 一种无人机飞控模块mems运动传感器的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，通过简单易行的方法采集静态数据和动态数据，并且用采集的数据尽快计算出传感器的校准参数，用来补偿传感器的零偏和温漂。与现有技术相比，本方法更加简单易行，能有效提高传感器的测量精度，减小飞控解算算法的累计误差，提高了飞控数据的可靠性，增强了飞行安全。
Description
技术领域
本发明涉及传感器校准技术，具体涉及的是一种无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，主要用于提高传感器的测量精度，进而提高无人机飞行安全。
背景技术
微机电***(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或***。由于MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点，因此被广泛应用于电子、医学、工业、汽车和航空航天的领域。
目前常见的微机电***产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器以及MEMS运动传感器等。
随着无人机行业的飞速发展，MEMS运动传感器因封装小、成本低等优点，其应用得到快速发展。但是目前的MEMS运动传感器普遍存在零偏不稳定、温漂较大的缺点，导致无人机飞控数据的误差较大，造成飞行安全存在隐患。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种提高传感器测量精度，保证无人机飞行安全的MEMS运动传感器的校准方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，包括：
采集MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值；
根据所述全温静态测量值计算MEMS运动传感器的静态校准数值，然后通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，其中所述多项式拟合是基于最小二乘法的三次多项式拟合，所述全温静态校准参数为拟合所得的三次多项式的系数；
采集MEMS运动传感器三轴的动态测量值，并计算传感器的动态校准参数；
通过所述全温静态校准参数和动态校准参数对MEMS运动传感器的零偏和温漂进行补偿。
优选地，所述采集MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值，包括：
将MEMS运动传感器置于设置好低温的恒温箱中，冷冻2小时后，取出恒温箱；
然后将MEMS运动传感器的其中一面垂直朝下放入加热保温装置中，加热1-2个小时到达MEMS运动传感器工作范围的高温，以采集MEMS运动传感器当前面的全温静态测量值；
之后采用上述方法，再依次采集MEMS运动传感器的其他五个面的全温静态测量值；
其中所述低温不超过MEMS运动传感器工作范围的最低温；所述高温不超过MEMS运动传感器工作范围的最高温。
优选地，将MEMS运动传感器置于一具有六个正交面的长方体铝盒中，然后将该长方体铝盒置于所述恒温箱中，所述长方体铝盒的上盖内侧设置有水泥电阻，所述水泥电阻和MEMS运动传感器对应通过线路连接到外部供电模块。
优选地，所述MEMS运动传感器的静态校准数值，包括陀螺仪静态校准值和加速度计静态校准值；所述陀螺仪静态校准值为三轴的偏移量，等于陀螺仪静态测量值；所述加速度计静态校准值为三轴的偏移量和比例值，通过六个面的测量值建立六个方程，通过解方程组可得到所述加速度计三轴的偏移量和比例值。
优选地，所述通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，包括：计算陀螺仪零偏校准参数，所述陀螺仪零偏校准参数计算方法包括：
将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分；取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；
利用基于最小二乘法的三次多项式拟合测量值随温度的变化趋势，同时计算出拟合方差；
比较六个面的方差，选择方差值最小的多项式的系数作为陀螺仪的校准参数。
优选地，把静态校准数据写入MEMS运动传感器Flash之后开始进行动态校准，得到陀螺仪比例值的校准参数。
优选地，所述通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，包括：计算加速度计零偏校准参数，所述加速度计零偏校准参数计算方法包括：
将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分，取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；
完全静止的条件下，加速度计的理论测量值应为重力加速度G，设加速度计三轴的零偏以及比例值都为未知数，建立所述理论测量值和实际测量值之间的等式关系；
根据所述等式关系表示出每一个面的所述理论测量值与实际测量值之间的偏差；
建立目标函数，使目标函数等于每个面的所述偏差之和，解得使目标函数最小的解即为最优解，从而得到加速度计的零偏和比例值校准参数。
优选地，所述采集MEMS运动传感器三轴的动态测量值，并计算传感器的动态校准参数，包括：
将所述静态校准参数写入传感器模块并存储；
将所述MEMS运动传感器至于一转台平面上保持静止，且保持所述MEMS运动传感器一个轴垂直于转台平面，旋转10圈后与起始位置重合保持静止，确定实际旋转角度值以及传感器测量角度值；
按照以上方式采集所述MEMS运动传感器的另外两个轴的动态数据；
计算所述实际旋转角度值与所述测量角度值的比例，作为所述MEMS运动传感器陀螺仪的比例值校准参数。
本发明提供的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，通过简单易行的方法采集静态数据和动态数据，并且用采集的数据尽快计算出传感器的校准参数，用来补偿传感器的零偏和温漂。与现有技术相比，本方法更加简单易行，能有效提高传感器的测量精度，减小飞控解算算法的累计误差，提高了飞控数据的可靠性，增强了飞行安全。
附图说明
图1为本发明静态参数计算算法流程图；
图2为本发明陀螺仪数据拟合效果示意图；
图3为本发明加速度计数据拟合效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用陀螺仪在静止状态下的理论测量值为0以及加速度计的理论测量值为重力加速度为条件，在静止状态下采集传感器的全温静态测量值，根据所述条件计算每一温度处的传感器的静态校准值，包括陀螺仪的零偏以及加速度计的零偏和比例值，然后通过拟合所述静态校准值所温度的变化，得到传感器的校准参数。陀螺仪的比例值校准参数的计算是通过比较测量值和真实值来确定所述比例值的校准参数。
本发明的校准参数的计算算法是在MATLAB平台上是实现的，MATLAB平台的特点是能够快速处理大量数据，MATLAB中丰富的库函数，使得所述算法的实现更加简洁、高效。将所述算法的实现通过MATLAB的图形用户界面进行编程还可实现数据可视化。
本发明提供了一种无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，包括：
采集MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值，其具体方式如下：
首先将多个MEMS运动传感器或者飞控模块固定到一个有六个正交面的长方体铝盒中，铝盒的上盖设计成可以固定水泥电阻的结构，冷冻之前在铝盒内部布置好给传感器模块以及水泥电阻供电的线路。这样可以保证采集传感器模块六个正交面的静态数据时只需依次翻转铝盒即可，还能够同时采集多个传感器模块的数据，并且能快速实现供电。
其次，把固定好传感器模块的铝盒，放入设置好低温的恒温箱中，低温不能超过传感器工作范围的最低温，以防损坏传感器。冷冻2个小时左右，把铝盒取出，迅速放入已准备好的保温装置中，把保温装置放在防噪声和振动干扰的安静室内，给水泥电阻以及传感器模块同时供电，调节给水泥电阻的供电电流，保证加热速度不要过快，通常加热1-2个小时到达传感器模块工作范围的高温(不超过最高温)即可，加热完成给水泥电阻以及传感器模块断电。
重复以上步骤把铝盒每个面依次朝下，从而就可以采集传感器模块六个正交面的静态数据。
如图1所示，图1为本发明静态参数计算算法流程图。当MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值采集完成之后，则需要根据所述全温静态测量值计算MEMS运动传感器的静态校准数值，首先把数据从存储卡中导出，本实施例把数据导出成TXT格式文件，用MATLAB编写用静态数据计算校准参数的程序生成图形用户界面。
然后通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，其中所述多项式拟合是基于最小二乘法的三次多项式拟合，所述全温静态校准参数为拟合所得的三次多项式的系数。
如图2所示，图2为本发明陀螺仪数据拟合效果示意图。其中陀螺仪零偏校准参数的计算算法为：将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分；取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；用基于最小二乘法的三次多项式拟合测量值随温度的变化趋势，同时计算出拟合方差；比较六个面的方差，选择方差值最小的多项式的系数作为陀螺仪的校准参数，然后把静态校准数据写入飞控模块Flash之后开始进行动态校准，得到陀螺仪比例值的校准参数。
如图3所示，图3为本发明加速度计数据拟合效果示意图。其中加速度计零偏校准参数的计算算法为：将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分；取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；完全静止的条件下，加速度计的理论测量值应为重力加速度G，设加速度计三轴的零偏以及比例值都为未知数，建立所述理论测量值和实际测量值之间的等式关系；根据所述等式关系可以表示出每一个面的所述理论测量值与实际测量值之间的偏差；建立目标函数，使目标函数等于每个面的所述偏差之和，解得使目标函数最小的解即为最优解，从而得到加速度计的零偏和比例值校准参数。由图3可以看出，加速度计X轴测量值和校准后的值随温度的变化趋势。
之后，采集MEMS运动传感器三轴的动态测量值，并计算传感器的动态校准参数。
其中，采集动态数据需要一个能够平行旋转并能固定飞控模块的转台。在室温条件下，将所述MEMS运动传感器安置于所述转台平面之上保持静止，保持所述MEMS运动传感器一个轴垂直于转台平面，旋转10圈后与起始位置重合保持静止，则实际旋转角度值即为3600度，再记录所述MEMS运动传感器的测量角度值；按照此方式采集所述MEMS运动传感器另外两个轴的动态数据。那么陀螺仪的比例值校准参数即为所述实际旋转角度值与所述测量角度值的比例。
最后，通过所述全温静态校准参数和动态校准参数对MEMS运动传感器的零偏和温漂进行补偿。
本发明通过以上校准方法获得校准参数之后，就可以对传感器每一个轴的测量值用最多六个参数来进行校正，并且能用所述六个参数校正传感器工作温度范围内的每一个温度处的测量值。本发明所述校准方法成本低、易实现，并且对能有效降低传感器的误差，提高测量精度，进而提高飞行安全。
综上所述，本发明将传感器模块在低温装置冷冻之后某一面垂直朝下放入加热保温装置采集传感器全温静态测量值，之后调整传感器模块方向，依次采集传感器另外五个正交面的全温静态测量值；用每一个温度点的测量值计算传感器静态校准数值，然后用多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，得到全温静态校准参数；室温条件下用转台采集传感器三轴的动态测量值，计算传感器的动态校准参数。本方案通过采集传感器的静态数据以及动态数据能够快速计算出传感器的偏移量以及比例值作为传感器的校准参数，提高传感器测量精度，从而减小飞控算法的累计误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，包括：
采集MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值；
根据所述全温静态测量值计算MEMS运动传感器的静态校准数值，然后通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，其中所述多项式拟合是基于最小二乘法的三次多项式拟合，所述全温静态校准参数为拟合所得的三次多项式的系数；
采集MEMS运动传感器三轴的动态测量值，并计算传感器的动态校准参数；
通过所述全温静态校准参数和动态校准参数对MEMS运动传感器的零偏和温漂进行补偿。
2.如权利要求1所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，所述采集MEMS运动传感器六个面的全温静态测量值，包括：
将MEMS运动传感器置于设置好低温的恒温箱中，冷冻2小时后，取出恒温箱；
然后将MEMS运动传感器的其中一面垂直朝下放入加热保温装置中，加热1-2个小时到达MEMS运动传感器工作范围的高温，以采集MEMS运动传感器的全温静态测量值；
之后采用上述方法，再依次采集MEMS运动传感器的其他五个面的全温静态测量值；
其中所述低温不超过MEMS运动传感器工作范围的最低温；所述高温不超过MEMS运动传感器工作范围的最高温。
3.如权利要求2所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，将MEMS运动传感器置于一具有六个正交面的长方体铝盒中，然后将该长方体铝盒置于所述恒温箱中，所述长方体铝盒的上盖内侧设置有水泥电阻，所述水泥电阻和MEMS运动传感器对应通过线路连接到外部供电模块。
4.如权利要求3所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，所述MEMS运动传感器的静态校准数值，包括陀螺仪静态校准值和加速度计静态校准值；所述陀螺仪静态校准值为三轴的偏移量，等于陀螺仪静态测量值；所述加速度计静态校准值为三轴的偏移量和比例值，通过六个面的测量值建立六个方程，通过解方程组可得到所述加速度计三轴的偏移量和比例值。
5.如权利要求4所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，所述通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，包括：计算陀螺仪零偏校准参数，所述陀螺仪零偏校准参数计算方法包括：
将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分；取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；
利用基于最小二乘法的三次多项式拟合测量值随温度的变化趋势，同时计算出拟合方差；
比较六个面的方差，选择方差值最小的多项式的系数作为陀螺仪的校准参数。
6.如权利要求5所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，把静态校准数据写入MEMS运动传感器Flash之后开始进行动态校准，得到陀螺仪比例值的校准参数。
7.如权利要求4所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，所述通过多项式拟合静态校准数值随温度的变化趋势，获得全温静态校准参数，包括：计算加速度计零偏校准参数，所述加速度计零偏校准参数计算方法包括：
将所述静态数据以温度0.1度为步长进行划分，取每一步长范围内的数据均值作为当前温度处传感器的测量值；
完全静止的条件下，加速度计的理论测量值应为重力加速度G，设加速度计三轴的零偏以及比例值都为未知数，建立所述理论测量值和实际测量值之间的等式关系；
根据所述等式关系表示出每一个面的所述理论测量值与实际测量值之间的偏差；
建立目标函数，使目标函数等于每个面的所述偏差之和，解得使目标函数最小的解即为最优解，从而得到加速度计的零偏和比例值校准参数。
8.如权利要求1所述的无人机飞控模块MEMS运动传感器的校准方法，其特征在于，所述采集MEMS运动传感器三轴的动态测量值，并计算传感器的动态校准参数，包括：
将所述静态校准参数写入传感器模块并存储；
将所述MEMS运动传感器至于一转台平面上保持静止，且保持所述MEMS运动传感器一个轴垂直于转台平面，旋转10圈后与起始位置重合保持静止，确定实际旋转角度值以及传感器测量角度值；
按照以上方式采集所述MEMS运动传感器的另外两个轴的动态数据；
计算所述实际旋转角度值与所述测量角度值的比例，作为所述MEMS运动传感器陀螺仪的比例值校准参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180717 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |