[发明专利]一种惯性测量单元的快速温度标定方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统领域，尤其是一种惯性测量单元的快速温度标定方法。

背景技术

传统的惯性导航系统体积大，成本高，功耗高而使其应用主要限制在军用方面。近年来随着微机电系统MEMS（Micro-Electro Mechanical Systems）技术以及精密加工技术的发展产生的MEMS IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）具有尺寸小、功耗低、重量轻、价格低廉等优点，使其广泛地应用到航空、地面车辆导航以及日常生活中。

实际应用中，测量系统会受复杂的使用环境的影响。尤其是MEMS惯性测量单元，因其重量轻、尺寸小而更容易受到外界环境（尤其是温度）的影响。一个重要体现为MEMS惯性测量单元的误差参数（例如零偏、比例因子误差、交轴耦合误差等）随温度产生显著的变化，从而影响加速度计和陀螺输出数据的精度，进而影响惯性导航系统的性能。为了降低传感器误差的温度敏感性对IMU测量精度的影响，在IMU使用之前必须对其进行温度标定，获取各温度点上对应的误差参数（即传感器误差参数或IMU误差参数），以便在实际应用中对温度变化引起的误差参数变化进行补偿，提高系统的测量精度和可靠性。

传统的温度标定方法主要有多温度点的恒温标定和温度斜坡标定方法。其中多温度点恒温标定方法是分别在一组选定的温度点上采用一定的标定方法（例如常见的6位置、12位置、24位置静止和速率测试等标定方法），确定出误差参数在这些特定温度点上的数值，再通过插值确定出各个温度点上的误差参数值。而温度斜坡标定方法是控制温度线性增加或者降低，在温度线性变化的过程中，对惯性测量单元完成标定。上述两种温度标定方法都存在自身固有的缺点：多温度点恒温标定方法，为了得到较高精度的插值一般要求在全温范围内选定不少于10个的恒温点。而在每个温度点等待测量单元内部温度稳定的过程需要至少一个小时，所以需要消耗大量的时间，人力以及物力。这种标定方法对于稳定性较差的MEMS惯性测量单元是低效的，高成本的，而且如果选取恒温点密度不够，则利用插值得到的其余温度点的误差参数值将具有较大的误差；而温度斜坡标定方法中，虽然能够得到比较稠密的温度点上的误差参数值，然而由于在执行每组标定动作过程中，因为IMU内部的温度传感器和惯性传感器的位置不同，从而会导致连续升降温过程中测得的IMU内部温度存在滞后效应（因为需要标定的是惯性传感器的误差参数，而可以获取的是温度传感器提供的温度），从而给标定结果带来误差。此外，由于温度连续变化，将导致一组IMU标定过程中，IMU温度变化，从而在该次标定中引入因温度变化造成的标定误差。尤其是在标定方法设计中，若仅使温度进行升温或者降温，则无法消除因为在每组标定动作中温度变化而造成的标定结果误差。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提供一种惯性测量单元（IMU）的温度标定方法，本方法特别适用于中低精度IMU，尤其是MEMS IMU。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种惯性测量单元的快速温度标定方法，包括以下步骤：

步骤1，控制惯性测量单元所在测量环境的温度在需考察的温度范围内连续升降温变化，同时控制惯性测量单元重复执行多组标定动作，记录惯性测量单元的输出数据；

步骤2，根据步骤1所得每组标定动作中惯性测量单元的输出数据估计该组标定动作中平均温度对应的传感器误差参数，得到升降温过程中一系列温度点上的传感器误差参数，所述传感器误差参数包括加速度计的误差参数和陀螺的误差参数；

步骤3，综合利用步骤2得到的升降温过程中一系列温度点上的传感器误差参数，建立全温范围内的温度模型，包括以下子步骤，

步骤3.1，分别获取升温和降温过程中各传感器误差参数对应的温度模型；

步骤3.2，对升温和降温过程中相同温度点上各传感器误差参数分别进行加权组合，获取最终的全温范围内各传感器误差参数的温度模型。

而且，步骤1中，控制惯性测量单元所在测量环境的温度在需考察的温度范围内连续升降温变化，通过将惯性测量单元放置于温箱中并控制温箱的温度实现。

而且，控制惯性测量单元执行的每组标定动作如下，