[发明专利]一种外场环境三维测量加速度计误差无奇异估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种外场环境三维测量加速度计误差无奇异估计方法，是一种简便易行、无需专门设备的惯性传感器组合外场误差估计方法，同时估计三维测量加速度计的零偏、标度因子和三维安装误差。估计过程中设定约束条件避免因奇异而无法估计三维测量加速度计误差模型参数，采用修正椭球模型，避免所估计模型参数不唯一的问题。本发明适用于采用低成本、小体积、参数稳定性较低的加速度计作为传感器的小型无人机、机器人、手持终端等系统中，提高其实际使用精度，具有很高的工程实用价值。

背景技术

三维测量加速度计经常作为一种重要传感器用于小型无人机、机器人、手持终端等多种系统中实现运动测量。为了实现系统的小型化、低成本、低功耗，传感器也必须具备低成本、小体积、低功耗等特征，其性能往往偏低，主要体现为误差模型参数不稳定。为了提高三维测量加速度计的实际使用精度，迫切需要一种现场估计误差并进行补偿的技术。为了提高操作的便捷性、降低对系统资源的耗费，估计补偿算法应该具有在线运行、占用系统资源少的特点。目前尚无现场估计三维测量加速度计误差模型参数的有效途径。

传统的加速度计误差模型估计需要借助分度头等专门仪器设备，在实验室环境下进行，即提前离线确定误差模型的各个参数，并在使用前进行固定的补偿。一旦加速度计误差模型参数因为使用时间、环境温度、压力等发生变化，固定补偿必然导致较大误差残留，严重影响使用精度，必须进行现场误差估计和补偿。这一点对小体积、低成本传感器尤其重要。

三维测量磁罗盘在使用中常常受到周围磁环境的干扰，因此该领域较早使用了现场误差估计技术：转动三维测量磁罗盘并采集各个姿态下地磁场在三维磁传感器上的分量。不同之处在于磁罗盘可以连续旋转连续采集，本发明方法需要三维测量加速度计在各个姿态下保持静止，去除转动过程中的数据。另一个区别在于目前的三维测量磁罗盘现场误差模型参数估计方法未能考虑避免估计奇异值的出现，常常导致估计失败。少数方法仅考虑了二维测量情况的去奇异条件。为此，本发明针对三维测量加速度计提出了一种外场环境三维测量加速度计误差无奇异估计方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于以三维测量加速度计作为传感器的小型无人机、机器人、手持终端等系统的外场环境三维测量加速度计误差无奇异估计方法。

本发明的技术解决方案为：一种外场环境三维测量加速度计误差无奇异估计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定外场估计三维加速度计误差模型参数所需采集的全部姿态；

(2)建立加速度计误差模型和被估计参数；

(3)将三维加速度计误差模型参数估计问题转化为椭球几何模型参数拟合问题，建立加速度计误差模型参数与椭球几何模型参数的对应关系；

(4)确定避免奇异的参数估计约束条件；

(5)建立约束条件下的最小二乘参数估计算法；

(6)在三维加速度计误差模型参数估计中采用修正椭球模型，避免所估计模型参数不唯一的问题；

(7)利用加速度计误差模型参数与椭球几何模型参数的对应关系，解算三维正交加速度计误差模型参数。

本发明的原理是：加速度计在静止情况下能够测量到重力加速度的投影分量，三维测量加速度计三个测量值的平方和在静止情况下应该等于重力加速度的平方。但三个测量值的具体数值会因为姿态不同而输出重力加速度不同的投影分量，换言之，三维测量加速度计三个测量值体现了三维测量加速度计当前的姿态信息，因此三维测量加速度计的误差对姿态测量精度影响很大，必须加以估计和补偿。