基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法[发明专利]

*CN103389114A*

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103389114 A(43)申请公布日 2013.11.13

(12)发明专利申请

(21)申请号 201310308999.1(22)申请日 2013.07.23

(71)申请人中国兵器工业集团第二一四研究所

苏州研发中心

地址215163 江苏省苏州市高新区龙山路

89号(72)发明人董冀 鞠莉娜 黄艳辉 王晓臣

周芳(74)专利代理机构南京纵横知识产权代理有限

公司 32224

代理人董建林(51)Int.Cl.

G01C 25/00(2006.01)

(54)发明名称

基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法(57)摘要

本发明公开了一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定方法，包含以下步骤：步骤1：三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；步骤2：三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。本发明的方法利用MEMS陀螺具有g敏感性的特点，无须借助于速率转台，只需在水平基准面上进行6个方向的位置标定，能快速准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交误差系数。CN 103389114 A权利要求书2页 说明书4页 附图1页权利要求书2页 说明书4页 附图1页

CN 103389114 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，包含以下步骤：

步骤1：三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；

步骤2：三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。

2.根据权利要求1所述的基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，

步骤1中，三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定时，首先，进行X轴方向标定：将三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，将X轴方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下X轴陀螺的零偏Bias，根据MEMS陀螺零偏模型（公式(1)），利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺安装后X轴的g敏感性系数A，具体的计算方法如公式(2)所示：

Bias=B0+A×g （1）Bias朝下=B0+A×gBias朝上=B0-A×g

A=(Bias朝下-Bias朝上)/2g (2)

利用上式计算出来该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数，分别与其三轴立体安装前的g敏感性系数进行比较，计算出X轴方向标定时各轴向的安装误差系数。

3.根据权利要求2所述的基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，

计算方法以X轴方向标定时各轴向的安装误差系数计算方法为例：

测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏分别为Bias_XX朝下和Bias_XX朝上，依据公式(2)计算出安装后X轴方向标定时X轴陀螺的g敏感性系数记为Axx，

Bias_XX朝下=Bx0+Axx×gBias_XX朝上=Bx0-Axx×g

Axx=(Bias_XX朝下-Bias_XX朝上)/2g式中：Bias_XX朝下和Bias_XX朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，Bx0为X轴陀螺的固定零偏，

计算出三轴MEMS陀螺安装误差系数Kxx：

式中，Ax为安装前X轴陀螺的g敏感性系数。按照上述计算方法，可以计算出X轴方向标定时Y、Z的g敏感性系数，和安装误差系数。

同理，按照上述步骤分别进行Y轴、Z轴标定，计算出MEMS陀螺安装后Y轴、Z轴标定时

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权 利 要 求 书

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不同轴向的g敏感性系数和非正交安装误差系数。

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说 明 书

基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法

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技术领域

[0001]

本发明涉及一种三轴MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems）陀

螺标定方法，尤其涉及一种三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，属于MEMS陀螺技术领域。

背景技术

[0002] 三轴MEMS陀螺的非正交误差是由于三个轴向的MEMS陀螺立体安装时不能绝对相互垂直而造成的安装误差。三轴MEMS陀螺的非正交安装误差直接影响了其测量精度，在工程化使用中必须进行标定并加以补偿。常用的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法是基于速率转台通过多位置速率标定，测试不同位置下三个轴向MEMS陀螺的输出角速率，计算出非正交安装误差系数。该方法虽然可以准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交误差系数，但是需要借助于速率转台，在无速率转台的情况下不能实现三轴MEMS陀螺的非正交误差系数的标定。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于g敏感性（加速度敏感性）的三轴

MEMS陀螺非正交误差标定方法，在无速率转台的情况下可实现三轴MEMS陀螺的非正交误差系数的标定。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于g敏感性的三轴MEMS陀螺非正交误差标定方法，其特征是，包含以下步骤：[0005] 步骤1：三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定的步骤：按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，分别将X轴、Y轴或Z轴向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上标定，计算出该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数；[0006] 步骤2：三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算的步骤：利用三轴MEMS陀螺安装前、后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。[0007] 步骤1中，三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定时，[0008] 首先，进行X轴方向标定：将三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g敏感性测试方法，将X轴方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下X轴陀螺的零偏Bias，根据MEMS陀螺零偏模型（公式(1)），利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺安装后X轴的g敏感性系数A，具体的计算方法如公式(2)所示：

[0009] Bias=B0+A×g （1）[0010] Bias朝下=B0+A×g[0011] Bias朝上=B0-A×g

[0012] A=(Bias朝下-Bias朝上)/2g (2)

[0013] 利用上式计算出来该轴方向标定时X轴、Y轴或Z轴陀螺的g敏感性系数，分别与其三轴立体安装前的g敏感性系数进行比较，计算出X轴方向标定时各轴向的安装误差系

[0003]

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说 明 书

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数。

计算方法以X轴方向标定时各轴向的安装误差系数计算方法为例：

[0015] 测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏分别为Bias_XX朝下和Bias_XX朝上，依据公式(2)计算出安装后X轴方向标定时X轴陀螺的g敏感性系数记为Axx，[0016] Bias_XX朝下=Bx0+Axx×g[0017] Bias_XX朝上=Bx0-Axx×g

[0018] Axx=(Bias_XX朝下-Bias_XX朝上)/2g[0019] 式中：Bias_XX朝下和Bias_XX朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，Bx0为X轴陀螺的固定零偏，

[0020] 计算出三轴MEMS陀螺安装误差系数Kxx：

[0014] [0021]

式中，Ax为安装前X轴陀螺的g敏感性系数。

[0023] 按照上述计算方法，可以计算出X轴方向标定时Y、Z的g敏感性系数，和安装误差系数。

[0024] 同理，按照上述步骤分别进行Y轴、Z轴标定，计算出MEMS陀螺安装后Y轴、Z轴标定时不同轴向的g敏感性系数和非正交安装误差系数。[0025] 本发明所达到的有益效果：

[0026] 本发明的方法利用MEMS陀螺具有g敏感性（也称加速度敏感性）的特点，无须借助于速率转台，只需在水平基准面上进行6个方向的位置标定，能快速准确地标定出三轴MEMS陀螺的非正交误差系数。

[0022]

附图说明

图1是三轴MEMS陀螺放置于水平基座；

[0028] 图2是标定方案示意图。

[0027]

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0030] 本发明的原理是：由于三轴MEMS陀螺非正交安装误差的存在，会导致安装后标定计算出的MEMS陀螺的g敏感性系数与安装前不相同，利用三轴MEMS陀螺安装前后g敏感性系数的比值计算出非正交安装误差系数。

[0031] MEMS陀螺的零偏主要包括固定零偏和零偏加速度敏感系数，其数学模型如公式(1)所示。

[0032] Bias=B0+A×a (1)[0033] 式中：Bias为陀螺零偏；[0034] B0为MEMS陀螺固定零偏；[0035] a为MEMS陀螺敏感的加速度；[0036] A为MEMS陀螺g敏感性系数。

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说 明 书

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具体技术方案是：将组装好的三轴MEMS陀螺放置于水平基座上，按照MEMS陀螺g

敏感性测试方法，首先将X方向的MEMS陀螺敏感轴分别垂直于水平基座朝下和朝上，测试出两种情况下陀螺的零偏，利用MEMS陀螺感知的重力加速度g，计算出MEMS陀螺的g敏感性系数，具体的计算方法如下公式(2)所示：[0038] Bias朝下=B0+A×g

Bias朝上=B0-A×g

[0040] A=(Bias朝下-Bias朝上)/2g (2)[0041] 公式中g为重力加速度；Bias朝下、Bias朝上分别为朝上、朝下两种情况下的MEMS陀螺零偏。

[0042] 利用上式计算出来X轴MEMS陀螺g敏感性系数与其三轴立体安装前计算出的g敏感性系数进行比较，就可以计算出该方向的安装误差，同理可以计算出三轴MEMS陀螺Y、Z轴向的安装误差系数。

[0043] 1.三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定方案[0044] 标定的步骤和方案：将三轴MEMS陀螺10放置于水平基座20上，如图1所示。首先进行X轴标定。第一步，将X轴方向的MEMS陀螺的敏感轴垂直于水平基座平面朝下放置，测试出该位置时X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值，第二步，将X轴方向的MEMS陀螺的敏感轴垂直于水平基座平面朝上放置，测试出该位置时X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值；同理按照上述方法，分别进行Y轴和Z轴方向的标定，并测试X、Y、Z三个轴向MEMS陀螺的静态输出值。标定的方案如图2所示。[0045] 2.三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算方法

[0046] 三轴MEMS陀螺非正交化安装误差方程如公式(3)所示。[0047] Wx=Kxx×ωx+Kxy×ωy+Kxz×ωz[0048] Wy=Kyx×ωx+Kyy×ωy+Kyz×ωz

[0049] Wz=Kzx×ωx+Kzy×ωy+Kzz×ωz (3)[0050] 公式(3)中：Kxx、Kxy、Kxz、Kyx、Kyy、Kyz、Kzx、Kzy、Kzz为三轴MEMS陀螺非正交化安装误差系数,ωx、ωy、ωz分别为X、Y、Z方向的输入角速率（本专利不利用MEMS陀螺的输入角速率标定非正交化安装误差系数）。[0051] 不妨以X轴方向标定（图2中的第1步和第2步）为例，计算三轴MEMS陀螺非正交误差系数计算方法。

[0039]

根据图2，首先测试出X轴垂直水平基准面朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，依据公

式(2)计算出安装后X轴陀螺的g敏感性系数，记为Axx；具体推导过程如下：[0053] Bias_XX朝下=Bx0+Axx×g[0054] Bias_XX朝上=Bx0-Axx×g

[0055] Axx=(Bias_XX朝下-Bias_XX朝上)/2g[0056] 式中：Bias_XX朝下和Bias_XX朝上分别为X轴朝下和朝上时X轴陀螺的零偏，Bx0为X轴陀螺的固定零偏。因此，可以计算出Kxx：

[0052] [0057] [0058]

式中，Ax为安装前X轴陀螺的g敏感性系数。

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说 明 书

4/4页

按照同样的方法可以计算出在该X轴方向标定时Y轴和Z轴陀螺的g敏感性系数

Axy和Axz，具体推导过程如下：[0060] Bias_YX朝下=By0+Axy×g[0061] Bias_YX朝上=By0-Axy×g

[0062] Axy=(Bias_YX朝下-Bias_YX朝上)/2g[0063] Bias_ZX朝下=Bz0+Axz×g[0064] Bias_ZX朝上=Bz0-Axz×g

[0065] Axz=(Bias_ZX朝下-Bias_ZX朝上)/2g[0066] 式中：Bias_YX朝下和Bias_YX朝上分别为X轴朝下和朝上时Y轴陀螺的零偏，By0为Y轴陀螺的固定零偏；Bias_ZX朝下和Bias_ZX朝上分别为X轴朝下和朝上时Z轴陀螺的零偏，Bz0为Z轴陀螺的固定零偏。因此，可以计算出Kxy和Kxz：

[0067]

[0068]

式中：Ay和Az分别为安装前Y轴陀螺和Z轴陀螺的g敏感性系数。[0070] 同理，按照1中的三轴MEMS陀螺非正交误差系数标定方案，参照以上的计算方法，可以计算出Y轴和Z轴标定时不同轴向的g敏感性系数，其中Y轴标定方向，X、Y、Z的加速度敏感性系数为Ayx、Ayy、Azy，Z轴标定方向，X、Y、Z的加速度敏感性系数为Azx、Azy、Azz，因此可以计算出安装误差系数Kyx、Kyy、Kyz、Kzx、Kzy、Kzz：

[0069] [0071]

[0072]

[0073]

公式(6)中Ay和Az分别为安装前Y轴陀螺和Z轴陀螺的g敏感性系数。[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

[0074]

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CN 103389114 A

说 明 书 附 图

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图1

图2

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