CN113155114A - Mems惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法及装置，该方法包括：构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。通过本发明，解决了相关技术中因无法准确反应温度场变化对MEMS惯性测量单元陀螺零位输出的影响，导致MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿误差大的技术问题的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺领域，具体而言，涉及一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法及装置。
背景技术
MEMS惯性仪表(包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪)是以1C工艺和微机械加工工艺为基础制做的MEMS器件，由于MEMS惯性仪表成本低、体积小、环境适应能力强，在各个领域应用非常广泛。但MEMS惯性仪表结构采用的硅材料是一种热敏材料，温度对硅材料弹性模量影响显著，对应陀螺零位谐振频率随温度变化而变化，陀螺零位零位误差也会随之增大，温度误差是MEMS陀螺零位误差的主要误差来源。
现有的MEMS陀螺零位补偿方法，一般采用多个恒定温度点下采集陀螺零位输出，采用多项式拟合的方式形成系数，将生成的系数烧写入EEPROM，然后根据仪表环境不同温度点调取不同系数，进行修正的方法。此类方法存在以下缺点：1)MEMS陀螺零位温度场变化较为复杂，温度梯度和温度点对陀螺零位输出都有影响，采用单温度点和固定变温循环标定的方式，无法准确反应温度场变化对陀螺零位输出的影响，补偿系数不准确；2)陀螺在惯性测量单元中的温度场环境特性与恒温环境下仅对陀螺开展的零位温度场试验结果差异较大，恒温环境下仅对陀螺进行的零位温度试验结果用于惯性测量单元中陀螺零位的温补效果会造成较大误差。因此，现有的MEMS陀螺零位补偿方法无法准确反应温度场变化对MEMS惯性测量单元陀螺零位输出的影响，导致MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿误差大的问题。
针对上述相关技术中存在的技术问题，目前没有提出有效的解决方案。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法及装置，以至少解决相关技术中因无法准确反应温度场变化对MEMS惯性测量单元陀螺零位输出的影响，导致MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿误差大的技术问题的技术问题。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法，包括：构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
在一种可能的实现方式中，所述构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型包括：根据所述MEMS惯性测量单元启动时刻陀螺初始温度时对应的初始陀螺零偏、陀螺温度相对所述初始温度的一阶模型、陀螺温度相对所述初始温度的二阶模型以及陀螺的温度变化率，构建所述陀螺温度模型；其中，所述陀螺温度模型为：
其中，Ω(Tk)表示陀螺零位在温度Tk时对应的陀螺零偏，Tk和Tk-1分别表示第k次和第k-1次采样时刻的陀螺温度；
为初始温度T0时的初始陀螺零偏，k1为陀螺零偏关于陀螺温度的一次项系数；k2为陀螺零偏关于陀螺温度的二次项系数；kd为陀螺零偏关于陀螺的温度变化率的系数。
在另一种可能的实现方式中，陀螺的输出为所述陀螺零偏，所述确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型，包括：采集所述陀螺的第一实时温度值以及所述陀螺输出的第一角速度；将所述第一实时温度值和所述第一角速度代入所述陀螺温度模型，计算出所述
所述k1、所述k2及所述kd；将所述
所述k1、所述k2及所述kd代入所述陀螺温度模型，得到所述目标陀螺温度模型。
在另一种可能的实现方式中，陀螺的输出为所述MEMS惯性测量单元的实际角速度和所述陀螺零偏之和，所述确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型包括：确定所述陀螺的输出为所述实际角速度和所述陀螺零偏之和的起始时间；根据所述起始时间和所述MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算所述MEMS惯性测量单元的倾角变化量，其中，所述加速度计输出值为所述MEMS惯性测量单元在水平方向上的加速度计输出的数值；构建所述陀螺温度模型与所述倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型；通过将所述陀螺输出的第二角速度和所述陀螺的第二实时温度值代入所述参考温度模型，计算所述陀螺温度模型的模型参数，得到所述目标陀螺温度模型。
在另一种可能的实现方式中，根据所述起始时间和所述MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算所述MEMS惯性测量单元的倾角变化量，包括：采集所述MEMS惯性测量单元在所述起始时间m时的加速度计输出值fm，其中，k大于m，以及在采样时刻k时的加速度计输出值fk；通过以下公式计算所述MEMS惯性测量单元从m时刻到k时刻的倾角变化量Δαmk：
其中，g为重力加速度。
在另一种可能的实现方式中，所述确定所述陀螺的输出为所述实际角速度和所述陀螺零偏之和的起始时间包括：确定第i次采样时刻的陀螺温度Ti，以及第i+1次采样时刻的陀螺温度Ti+1；基于所述Ti和所述Ti+1计算所述陀螺的温度变化率；将所述温度变化率与阈值进行比较；若所述温度变化率小于或等于所述阈值，则将第i+1次采样时刻确定为所述起始时间。
在另一种可能的实现方式中，所述构建所述陀螺温度模型与所述倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型包括：根据所述陀螺温度模型和所述第二角速度计算出所述实际角速度；对所述实际角速度进行积分运算，得到所述实际角速度的积分模型；建立所述倾角变化量和所述实际角速度的积分模型之间的等式关系，得到所述参考陀螺温度模型。
第二方面，提供了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿装置，包括：构建模块，用于构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；确定模块，用于确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；补偿模块，用于根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
在一种可能的实现方式中，所述构建模块包括：构建单元，用于根据所述MEMS惯性测量单元启动时刻陀螺初始温度时对应的初始陀螺零偏、陀螺温度相对所述初始温度的一阶模型、陀螺温度相对所述初始温度的二阶模型以及陀螺的温度变化率，构建所述陀螺温度模型；其中，所述陀螺温度模型为：
其中，Ω(Tk)表示陀螺零位在温度Tk时对应的陀螺零偏，Tk和Tk-1分别表示第k次和第k-1次采样时刻的陀螺温度；
为初始温度T0时的初始陀螺零偏，k1为陀螺零偏关于陀螺温度的一次项系数；k2为陀螺零偏关于陀螺温度的二次项系数；kd为陀螺零偏关于陀螺的温度变化率的系数。
在另一种可能的实现方式中，陀螺的输出为所述陀螺零偏，所述确定模块包括：采集单元，用于采集所述陀螺的第一实时温度值以及所述陀螺输出的第一角速度；第一计算单元，用于将所述第一实时温度值和所述第一角速度代入所述陀螺温度模型，计算出所述
所述k1、所述k2及所述kd；第一确定单元，用于将所述
所述k1、所述k2及所述kd代入所述陀螺温度模型，得到所述目标陀螺温度模型。
在另一种可能的实现方式中，陀螺的输出为所述MEMS惯性测量单元的实际角速度和所述陀螺零偏之和，所述确定模块包括：第二确定单元，用于确定所述陀螺的输出为所述实际角速度和所述陀螺零偏之和的起始时间；第二计算单元，用于根据所述起始时间和所述MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算所述MEMS惯性测量单元的倾角变化量，其中，所述加速度计输出值为所述MEMS惯性测量单元在水平方向上的加速度计输出的数值；构建单元，用于构建所述陀螺温度模型与所述倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型；第三确定单元，用于通过将所述陀螺输出的第二角速度和所述陀螺的第二实时温度值代入所述参考温度模型，计算所述陀螺温度模型的模型参数，得到所述目标陀螺温度模型。
在另一种可能的实现方式中，所述第二计算单元包括：第一确定子单元，用于确定所述陀螺温度缓慢变化的起始时刻m；采集子单元，用于采集所述MEMS惯性测量单元在所述起始时间m时的加速度计输出值fm，其中，k大于m，以及在采样时刻k时的加速度计输出值fk；第一计算子单元，用于通过以下公式计算所述MEMS惯性测量单元从m时刻到k时刻的倾角变化量Δαmk：
其中，g为重力加速度。
在另一种可能的实现方式中，所述第二确定单元用于：确定第i次采样时刻的陀螺温度Ti，以及第i+1次采样时刻的陀螺温度Ti+1；基于所述Ti和所述Ti+1计算所述陀螺的温度变化率；将所述温度变化率与阈值进行比较；若所述温度变化率小于或等于所述阈值，则将第i+1次采样时刻确定为所述起始时间。
在另一种可能的实现方式中，所述构建单元包括：第二计算子单元，用于根据所述陀螺温度模型和所述第二角速度计算出所述实际角速度；第三计算子单元，用于对所述实际角速度进行积分运算，得到所述实际角速度的积分模型；第二确定子单元，用于建立所述倾角变化量和所述实际角速度的积分模型之间的等式关系，得到所述参考陀螺温度模型。
第三方面，还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
第四方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项装置实施例中的步骤。
借由上述技术方案，本发明实施例提供的MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法，通过构建表征了MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的对应关系的温度模型，可以考虑到温度梯度和温度点对陀螺零位的影响，降低了温度场变化对陀螺零位输出的影响；然后对陀螺温度模型的模型参数进行标识，对陀螺零位进行温度补偿，解决了相关技术中因无法准确反应温度场变化对MEMS惯性测量单元陀螺零位输出的影响，导致MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿误差大的技术问题的技术问题，提高了MEMS惯性测量单元陀螺零位的补偿据精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法应用于计算机终端的硬件结构框图；
图2是根据本发明实施例提供的振动式陀螺零位的力学模型；
图3是根据本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法的流程图；
图4是根据本发明实施例提供的温补前惯性测量单元陀螺零位分别在xyz轴上与温度的关系图；
图5是根据本发明实施例提供惯性测量单元陀螺零位分别在xyz轴上的补偿效果图；
图6是根据本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿装置的结构框图；
图7是根据本发明实施例的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。
为了解决相关技术存在的技术问题，在本实施例中提供了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法。下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本发明的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
本发明实施例一所提供的方法实施例可以在移动终端、服务器、计算机终端或者类似的运算装置中执行。以运行在计算机终端上为例，图1是本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法应用于计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，可选地，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。
存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器，也可以包括易失性存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，简称为NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频(Radio Frequency，简称为RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
首先，对MEMS陀螺零位的模型进行简要的分析介绍。硅微机械陀螺零位仪是利用科里奥利力来实现角速度测量的器件，为了适应硅加工工艺，它通过两个振动梁代替旋转结构，实现驱动模态和检测模态。以单质量块硅微机械陀螺零位仪为例，其工作模态可以等效为一个“弹簧一质量块一阻尼”的二阶***，图2是根据本发明实施例提供的振动式陀螺零位的力学模型。如图2所示，x，y和z为空间直角坐标系相互正交的三个轴向，kd和ks分别为x和y方向的刚度，cd和cs分别为x和y方向的阻尼，z为陀螺零位角速度输入轴。硅微机械陀螺零位仪的质量块沿着驱动轴方向，以固定频率作正弦振动，若此时陀螺零位输入轴z有角速度输入，根据科里奥利力的工作原理，振动质量块将在科氏力的作用下在y轴产生振动，检测质量块在该方向上的振动位移即可得到输入角速度。
则陀螺零位的运动方程可表示为：
其中，m为检测质量块质量；
cd和cs分别为驱动模态和检测模态的阻尼系数；
kd、ks分别为驱动模态和检测模态的弹簧刚度；
cds、kds分别为驱动模态和检测模态的阻尼耦合系数和耦合刚度；
α为驱动力到检测模态的耦合系数；
这里，忽略式(1)、(2)中的阻尼和刚度耦合以及驱动力到检测模态的力耦合，上述公式(1)和(2)简化为：
如进一步忽略式(3)中的哥氏力项，则有：
考虑到MEMS陀螺，一般选驱动信号为正弦信号，设驱动力Fd＝F0sin(ωdrt)，其中F0是驱动振幅。
将式(4)和(5)整理成标准的二阶微分方程为：
其中，
其中，为了将方程表示成更常见的形式，ζd和ζs表示对cd和cs作的等量变换；式(6)和(7)中，ωd、ωs分别为驱动模态和检测模态的谐振频率。
其中，式(6)和(7)的稳态解为：
其中，
其中，
综上，谐振频率是陀螺仪驱动和检测运动公式中的重要参数，谐振频率发生变化，陀螺驱动、检测运动方程阻尼系数，稳定解会发生变化。
谐振频率ωd(T)与温度T是近似线性关系。其中ωd0、ωS0是T0温度点下的驱动、检测谐振频率，K为硅材料的弹性模量：
谐振频率是陀螺仪输出公式中的一项重要参数，谐振频率随温度的变化对陀螺零热噪声的影响是复杂非线性的，如公式(18)所示，为该噪声的等效角速率噪声表达式，其中，kB为波尔兹曼常数，T为绝对温度，Δf为带宽，m为质量块的质量，kf为带宽系数，可取0.54；Ad为驱动振幅。零位的补偿如果脱离所使用的温度场，使用单陀螺或给定温度场条件下先验温度模型，温度补偿的实际使用效果无法达到要求。
Δf(T)＝kf(ωs(T)-ωd(T))
QS＝1/2ξS
其中，QS阻尼系数的倒数表示检测模态下的品质因数；式(18)中与温度有关的项是T-T0的非线性函数。对于非线性函数，在大范围内采用温度的多项式进行拟合很难达到理想的效果。因此，采用预先在实验室获得的陀螺零位误差温度模型进行补偿效果不理想。
此外，MEMS陀螺零位采用的硅材料是一种热敏材料，温度对硅材料弹性模量影响显著，对应陀螺零位谐振频率随温度变化而变化，陀螺零位零位误差也会随之增大，温度误差是MEMS陀螺零位误差的主要误差来源。对于MEMS惯性测量单元的典型应用场景来说，标度因素引起的误差影响远小于零位误差。MEMS陀螺零位输出随温度变化趋势比较复杂，同起始温度下，不同环境温变曲线陀螺零位输出变化差异较大；相同温度场条件下，陀螺零位输出重复性差异也较大，因此，采用先验温度进行陀螺零位误差补偿，存在较大的补偿误差。
本发明以实际应用温度范围为基础，在实际温度场景下进行陀螺零位误差的温度特性建模，利用MEMS惯性测量单元每次使用前的静止或微幅角振动状态期间陀螺输出的角速度和加速度计输出的加速度，以及温度数据对陀螺零位误差温度模型参数进行辨识，并将模型立即应用于接下来的工作过程，提高MEMS惯性测量单元中陀螺的角速度测量精度。
图3是根据本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
步骤S302，构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，陀螺温度模型用于表征MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；
步骤S304，确定陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；
优选地，构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型包括：根据MEMS惯性测量单元启动时刻陀螺初始温度时对应的初始陀螺零偏、陀螺温度相对初始温度的一阶模型、陀螺温度相对初始温度的二阶模型以及陀螺的温度变化率，构建陀螺温度模型，其中，陀螺温度模型为：
其中，Ω(Tk)表示陀螺零位在温度Tk时对应的陀螺零偏，Tk和Tk-1分别表示第k次和第k-1次采样时刻的陀螺温度；
为初始温度T0时的初始陀螺零偏，k1为陀螺零偏关于陀螺温度的一次项系数；k2为陀螺零偏差关于陀螺温度的二次项系数；kd为陀螺零偏关于陀螺的温度变化率的系数。
上述陀螺温度模型以MEMS惯性测量单元启动时刻的陀螺温度(即上述初始温度)为基础，将零位误差(即上述陀螺零偏)与陀螺温度之间复杂的非线性关系，用陀螺的实时温度相对初始温度变化量的简单的二阶模型表示；针对温度测量的滞后特性，采用温变率预测温度变化曲线，并采用一阶模型预测温度信息滞后对补偿精度的影响，及公式(19)中的kd(Tk-Tk-1)。
步骤S306，根据目标陀螺温度模型对MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
本发明实施例提供的MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法，通过构建表征了MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的对应关系的温度模型，可以考虑到温度梯度和温度点对陀螺零位的影响，降低了温度场变化对陀螺零位输出的影响；然后对陀螺温度模型的模型参数进行标识，对陀螺零位进行温度补偿，解决了相关技术中因无法准确反应温度场变化对MEMS惯性测量单元陀螺零位输出的影响，导致MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿误差大的技术问题的技术问题，提高了MEMS惯性测量单元陀螺零位的补偿据精度。
在本案的一个可选实施例中，陀螺的输出为陀螺零偏，确定陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型，包括：采集陀螺的第一实时温度值以及陀螺输出的第一角速度；将第一实时温度值和第一角速度代入陀螺温度模型，计算出
k1、k2及kd；将
k1、k2及kd代入陀螺温度模型，得到目标陀螺温度模型。
基于上述构建的陀螺温度模型，在启动初期的温度快速变化阶段，陀螺输出受温度影响较大，此时将陀螺的输出
(即上述第一角速度)作为陀螺零位误差的测量值(即上述陀螺零偏)，同时MEMS惯性测量单元还实时给出陀螺的温度测量值(即上述第一实时温度值)，根据上述公式(19)得：
为实现上述陀螺零位误差的温度模型(即上述陀螺温度模型)的模型参数的标定，MEMS惯性测量单元刚刚启动后，根据期间陀螺的输出对公式(20)中的模型参数进行标定，用于本次MEMS惯性测量单元开机后续正常使用过程中进行温度补偿。
优选地，已知
和右侧的T0…Tk(即上述第一实时温度值)，采用递推最小二乘法即可实时估算陀螺零位误差的温度模型中的参数
k1、k2和kd。该过程将陀螺输出视为陀螺零位误差(即上述陀螺零偏)进行模型参数标定，标定结果在一定程度上受环境中的角振动影响；另外，采用最小二乘法实时推算MEMS陀螺零位输出随温度的补偿系数(即上述模型参数)，实现温度变化及变化率预估的陀螺零位现场补偿，在进行最小二乘法后无需保存温度数据，减少了内存占用量，节省存储空间，提高全温测量精度，减小环境干扰。
在本案的一个可选实施例中，陀螺的输出为MEMS惯性测量单元的实际角速度和陀螺零偏之和，确定陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型包括：确定陀螺的输出为实际角速度和陀螺零偏之和的起始时间；根据起始时间和MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算MEMS惯性测量单元的倾角变化量，其中，加速度计输出值为MEMS惯性测量单元在水平方向上的加速度计输出的数值；构建陀螺温度模型与倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型；通过将陀螺输出的第二角速度和陀螺的第二实时温度值代入参考温度模型，计算陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型。
在陀螺温度由刚开始的快速变化阶段转换为缓慢变化阶段，为实现上述陀螺零位误差的温度模型(即上述陀螺温度模型)的模型参数的标定，MEMS惯性测量单元，根据期间陀螺的输出以及加速度计的输出对模型参数进行标定，用于本次MEMS惯性测量单元开机后续正常使用过程中进行温度补偿。
其中，根据起始时间和MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算MEMS惯性测量单元的倾角变化量，包括：采集MEMS惯性测量单元在起始时间m时的加速度计输出值fm，以及在采样时刻k时的加速度计输出值fk，其中，k大于m；通过以下公式计算MEMS惯性测量单元从m时刻到k时刻的倾角变化量Δαmk：
其中，g为重力加速度。
优选地，确定陀螺的输出为实际角速度和陀螺零偏之和的起始时间包括：确定第i次采样时刻的陀螺温度Ti，以及第i+1次采样时刻的陀螺温度Ti+1；基于Ti和Ti+1计算陀螺的温度变化率；将温度变化率与阈值进行比较；若温度变化率小于或等于阈值，则将第i+1次采样时刻确定为起始时间。在本实施例中，通过采集各个时刻的实时温度值，根据温度变化率判断陀螺温度是否有快速变化阶段变成缓慢变化阶段。
在本实施例中，温度变化变缓后，加速度计敏感重力输出结果受温度影响进入可忽略状态。此时，用加速度计数据构造陀螺零位误差模型(即上述参考陀螺温度模型)参数标定的基准信息，以减小环境角振动对标定精度的影响，提高敏感轴在水平面内的陀螺零位误差模型参数的标定精度(该过程对MEMS惯性测量单元中敏感轴在竖直放向的陀螺零位误差模型无作用)，包括以下内容：
MEMS惯性测量单元中的水平加速度计输出为：
f＝gsinα+▽ (21)
其中：f为水平加速度计输出；g为重力加速度(为已知的地球物理参数)；α为加速度计倾角，为未知量；▽为加速度计零位误差，为未知量。
考虑到MEMS惯性测量单元接近水平摆放这一特性(即倾角α为小角度)，得sinα≈α将其代入式(21)得：
f＝gα+▽ (22)
由此得：
环境扰动的存在导致水平加速度计输出f和倾角α随时间变化，分别将其记为fk和αk，则
记温度变化变缓的初始时刻为m(即上述起始时间)，则从m时刻到k时刻的角度变化Δαmk(即上述倾角变化量)为：
可见该角度变化与加速度计零位误差▽无关，仅由m时刻和k时刻的加速度计输出值fk和fm决定。
进一步地，构建陀螺温度模型与倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型包括：根据陀螺温度模型和第二角速度计算出实际角速度；对实际角速度进行积分运算，得到实际角速度的积分模型；建立倾角变化量和实际角速度的积分模型之间的等式关系，得到参考陀螺温度模型。
根据上述实施例，为基准信息进行陀螺零位误差(即上述陀螺零偏)标定，构建陀螺零位误差与Δαmk之间的关系。此时，从更精确的需求出发，不再将陀螺输出
(即上述第二角速度)全部视为零位误差，而是将其视为MEMS惯性测量单元的真实角速度
(即上述实际角速度)和陀螺零位误差之和，所以
将其从m时刻和k时刻进行积分，构建陀螺温度模型与倾角变化量之间的对应关系(即上述第二对应关系)，得到：
其中：Ts为数据采样周期。
整理得参考陀螺温度模型为：
式(29)左侧根据陀螺的输出和加速度计的输出计算，右侧的k、m、T0、Tm…Tk(即上述第二实时温度值)为已知量。根据上述已知量，在温度快速变化阶段标定结果的基础上，继续使用递推最小二乘算法进一步提高
k1、k2和kd的估计精度。
通过本发明实施例，基于温度预测模型(即上述陀螺温度模型)和稳定温度下加速度空间静止判定条件下的，惯性测量单元MEMS陀螺零位温度系数实时辨识和补偿方法，解决了普通用户无法获取到陀螺仪研发方才能获取像驱动闭环控制***的谐振频率、当前角速度等信息，也能根据陀螺在使用现场的输出进行建模，实现陀螺零位误差的温度补偿。
本发明实施例基于MEMS惯性测量单元温度预测模型(即上述陀螺温度模型)及加速度计输出，分段实现陀螺零位误差的实时温度补偿；将温度场分为快速变化和近似稳定两个阶段，在快速变化阶段，短时内对温度变化进行线性化处理，采用最小二乘法递推温度补偿系数。
由于非线性函数在大范围内采用温度的多项式进行拟合很难达到理想的效果，采用预先在实验室获得的陀螺零位误差温度模型进行补偿效果不理想。为此，本发明根据上述提供的MEMS惯性测量单元陀螺零位输出温度补偿的主要流程步骤，以开机时刻的温度作为起点，在的小范围内采用线性模型进行建模，通过在实际使用现场对陀螺温度模型的模型参数进行辨识，并立即应用于接下来的对应使用场景的温度补偿方法，提高了MEMS惯性测量单元中陀螺的角速度测量精度。图4是根据本发明实施例提供的温补前惯性测量单元陀螺零位分别在xyz轴上与温度的关系图，如图4a，图4b及图4c所示；图5是根据本发明实施例提供惯性测量单元陀螺零位分别在xyz轴上的补偿效果图，如图5a，图5b及图5c所示。
基于上文各个实施例提供的MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法，基于同一发明构思，在本实施例中还提供了一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图6是根据本发明实施例的一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿装置的结构框图，如图6所示，该装置包括：构建模块60，用于构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，陀螺温度模型用于表征MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；确定模块62，连接至上述构建模块60，用于确定陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；补偿模块64，连接至上述确定模块62，用于根据目标陀螺温度模型对MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
可选的，构建模块60包括：构建单元，用于根据MEMS惯性测量单元启动时刻陀螺初始温度时对应的初始陀螺零偏、陀螺温度相对初始温度的一阶模型、陀螺温度相对初始温度的二阶模型以及陀螺的温度变化率，构建陀螺温度模型；其中，陀螺温度模型为：
其中，Ω(Tk)表示陀螺零位在温度Tk时对应的陀螺零偏，Tk和Tk-1分别表示第k次和第k-1次采样时刻的陀螺温度；
为初始温度T0时的初始陀螺零偏，k1为陀螺零偏关于陀螺温度的一次项系数；k2为陀螺零偏关于陀螺温度的二次项系数；kd为陀螺零偏关于陀螺的温度变化率的系数。
可选的，陀螺的输出为陀螺零偏，确定模块62包括：采集单元，用于采集陀螺的第一实时温度值以及陀螺输出的第一角速度；第一计算单元，用于将第一实时温度值和第一角速度代入陀螺温度模型，计算出
k1、k2及kd；第一确定单元，用于将
k1、k2及kd代入陀螺温度模型，得到目标陀螺温度模型。
可选的，陀螺的输出为MEMS惯性测量单元的实际角速度和陀螺零偏之和，确定模块62包括：第二确定单元，用于确定陀螺的输出为实际角速度和陀螺零偏之和的起始时间；第二计算单元，用于根据起始时间和MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算MEMS惯性测量单元的倾角变化量，其中，加速度计输出值为MEMS惯性测量单元在水平方向上的加速度计输出的数值；构建单元，用于构建陀螺温度模型与倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型；第三确定单元，用于通过将陀螺输出的第二角速度和陀螺的第二实时温度值代入参考温度模型，计算陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型。
可选的，第二计算单元包括：第一确定子单元，用于确定陀螺温度缓慢变化的起始时刻m；采集子单元，用于采集MEMS惯性测量单元在起始时间m时的加速度计输出值fm，其中，k大于m，以及在采样时刻k时的加速度计输出值fk；第一计算子单元，用于通过以下公式计算MEMS惯性测量单元从m时刻到k时刻的倾角变化量Δαmk：
其中，g为重力加速度。
可选的，第二确定单元用于：确定第i次采样时刻的陀螺温度Ti，以及第i+1次采样时刻的陀螺温度Ti+1；基于Ti和Ti+1计算陀螺的温度变化率；将温度变化率与阈值进行比较；若温度变化率小于或等于阈值，则将第i+1次采样时刻确定为起始时间。
可选的，构建单元包括：第二计算子单元，用于根据陀螺温度模型和第二角速度计算出实际角速度；第三计算子单元，用于对实际角速度进行积分运算，得到实际角速度的积分模型；第二确定子单元，用于建立倾角变化量和实际角速度的积分模型之间的等式关系，得到参考陀螺温度模型。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
本发明的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
S1，构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；
S2，确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；
S3，根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
基于上述图3所示方法和图6所示装置的实施例，为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，包括存储器72和处理器71，其中存储器72和处理器71均设置在总线73上存储器72存储有计算机程序，处理器71执行计算机程序时实现图3所示的MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法。
基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个存储器(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施场景所述的方法。
可选地，该设备还可以连接用户接口、网络接口、摄像头、射频(Radio Frequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如蓝牙接口、WI-FI接口)等。
本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种电子设备的结构并不构成对该实体设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿方法，其特征在于，包括：
构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；
确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；
根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型包括：
根据所述MEMS惯性测量单元启动时刻陀螺初始温度时对应的初始陀螺零偏、陀螺温度相对所述初始温度的一阶模型、陀螺温度相对所述初始温度的二阶模型以及陀螺的温度变化率，构建所述陀螺温度模型；
其中，所述陀螺温度模型为：
其中，Ω(Tk)表示陀螺零位在温度Tk时对应的陀螺零偏，Tk和Tk-1分别表示第k次和第k-1次采样时刻的陀螺温度；
为初始温度T0时的初始陀螺零偏，k1为陀螺零偏关于陀螺温度的一次项系数；k2为陀螺零偏关于陀螺温度的二次项系数；kd为陀螺零偏关于陀螺的温度变化率的系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，陀螺的输出为所述陀螺零偏，所述确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型，包括：
采集所述陀螺的第一实时温度值以及所述陀螺输出的第一角速度；
将所述第一实时温度值和所述第一角速度代入所述陀螺温度模型，计算出所述
所述k1、所述k2及所述kd；
将所述
所述k1、所述k2及所述kd代入所述陀螺温度模型，得到所述目标陀螺温度模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，陀螺的输出为所述MEMS惯性测量单元的实际角速度和所述陀螺零偏之和，所述确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型包括：
确定所述陀螺的输出为所述实际角速度和所述陀螺零偏之和的起始时间；
根据所述起始时间和所述MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算所述MEMS惯性测量单元的倾角变化量，其中，所述加速度计输出值为所述MEMS惯性测量单元在水平方向上的加速度计输出的数值；
构建所述陀螺温度模型与所述倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型；
通过将所述陀螺输出的第二角速度和所述陀螺的第二实时温度值代入所述参考温度模型，计算所述陀螺温度模型的模型参数，得到所述目标陀螺温度模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述起始时间和所述MEMS惯性测量单元的加速度计输出值计算所述MEMS惯性测量单元的倾角变化量，包括：
采集所述MEMS惯性测量单元在所述起始时间m时的加速度计输出值fm，以及在采样时刻k时的加速度计输出值fk，其中，k大于m；
通过以下公式计算所述MEMS惯性测量单元从m时刻到k时刻的倾角变化量Δαmk：
其中，g为重力加速度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述陀螺的输出为所述实际角速度和所述陀螺零偏之和的起始时间包括：
确定第i次采样时刻的陀螺温度Ti，以及第i+1次采样时刻的陀螺温度Ti+1；
基于所述Ti和所述Ti+1计算所述陀螺的温度变化率；
将所述温度变化率与阈值进行比较；
若所述温度变化率小于或等于所述阈值，则将第i+1次采样时刻确定为所述起始时间。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述构建所述陀螺温度模型与所述倾角变化量之间的第二对应关系，得到参考陀螺温度模型包括：
根据所述陀螺温度模型和所述第二角速度计算出所述实际角速度；
对所述实际角速度进行积分运算，得到所述实际角速度的积分模型；
建立所述倾角变化量和所述实际角速度的积分模型之间的等式关系，得到所述参考陀螺温度模型。
8.一种MEMS惯性测量单元陀螺零位的温度补偿装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建MEMS惯性测量单元的陀螺温度模型，其中，所述陀螺温度模型用于表征所述MEMS惯性测量单元的陀螺零偏和陀螺温度之间的第一对应关系；
确定模块，用于确定所述陀螺温度模型的模型参数，得到目标陀螺温度模型；
补偿模块，用于根据所述目标陀螺温度模型对所述MEMS惯性测量单元的陀螺零位进行温度补偿。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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