[发明专利]一种基于极大似然估计算法的MEMS三轴加速度计标定方法

说明书

本发明公开了一种基于极大似然估计算法的MEMS三轴加速度计标定方法，包括以下步骤：建立三轴加速度计的误差模型；翻转载体，三轴加速度计测量所述载体翻转过程中的加速度，获得多个加速度测量数据；将所述多个加速度测量数据带入至牛顿法迭代求解所述误差模型参数，获得所述误差模型参数的最优解。其弱化了标定过程对外部设备和静置测量的依赖，高效便捷，准确度高。

技术领域

本发明涉及微惯性测量系统误差标定技术领域，具体涉及一种基于极大似然估计算法的MEMS三轴加速度计标定方法。

背景技术

现如今，微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)在诸多领域得到越来越广泛的应用，如行人导航、无人机、运载火箭。而一些低成本的惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)由于制作工艺等原因，存在较大的误差，可以归结为比例因子误差、非正交误差、零偏误差，所以在使用前必须进行标定。

标定方法可以分为两大类：矢量域标定和标量域标定。矢量域标定指借助矢量域知识，通过高精度辅助仪器提供参考矢量值标定加速度计；标量域标定指应用标量域知识，无需辅助设备通过优化算法完成加速度计的误差参数标定。经典的矢量域标定方法是6位置标定方法，经典的矢量域标定方法则是通过最小二乘最优化算法得到标定结果。矢量域标定方法虽然校准精度高，但是对辅助设备要求高，且价格高昂，同时在标定时需要多位置静置测量。在实际使用中，研究人员更青睐于一种室外无需外围设备的标定方法。

中国发明专利CN101059384(南京航空航天大学)公开了基于矢量域的MEMS三轴加速度计标定方法。借助一台位置转台，通过9个位置的转动和3组静态测量可以标定出加速度计的零偏和安装误差参数。缺点是操作繁琐，且需要高精度仪器。中国发明专利CN105842481A(重庆邮电大学)公开了一种基于十字叉的三轴加速度计标定方法。以与地面平行的平面上做两条垂直直线，称为十字叉，并以此为参照静置测量六个位置的三轴加速度计的输出值，通过卡尔曼滤波抑制刻度因子不固定的误差，再通过最小二乘进行温度补偿，最终通过标定系数获取公式得到误差模型。但在室外标定时，静置测量条件苛刻，与水平面平行平面也需要仪器辅助，测量时需要和垂直直线对准，标定过程过于繁琐。中国发明专利CN109084806A(苏州大学)公开了一种标量域MEMS三轴加速度计标定方法。通过静置测量24个不同方向的三轴加速度计输出并取平均抑制随机噪声，以均方误差作为目标函数并通过拟牛顿迭代最优化目标函数，从而得到误差参数。方法简单易用无需辅助仪器，但静置测量条件苛刻且忽略了随机噪声的二阶误差项，导致标定结果是一个有偏估计。中国发明专利CN109188026A(北京航空航天大学)公开了一种基于深度学习的MEMS加速度计自动标定方法。根据MEMS惯组中加速度计的输出信息建立误差输出模型，以MEMS加速度计的测量输出信息为输入，利用深度学习算法进行误差补偿，预测出MEMS惯组的关键误差参数，在不依赖实验室设备的前提下，实现MEMS加速度计的自动标定。但是估计出的误差参数并不包含非正交误差，算法仅对比例因子和零偏误差做了标定。中国发明专利CN105628976A(中国科学院地质与地球物理研究所)公开了一种基于标量域的MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统。通过驱动闭环控制转动平台对待测MEMS加速度传感器进行重力场下的360度转动多点定位，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，再利用其预设模型方程，获得期望输出量后，对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘拟合算法，获得待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，使模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数。中国发明专利CN103323625A(东南大学)公开了一种MEMS-IMU中三轴加速度计动态环境下的误差标定补偿方法。利用二轴转台，转台外框按速率模式运行，转台内框按照正弦模式运行，改变IMU的安装，分别让X轴、Y轴加速度计的敏感轴方向与天向平行，和Z轴相同的运行模式让加速度计敏感动态加速度和动态角速度；记录下三轴输出数据，分析处理得到三轴加速度计的安装误差，标定系数，零偏和动态角速度对加速度计的影响因子。