一种基于MEMS的微惯性测量单元标定补偿方法

　　随着微机电系统MEMS(Micro ElectronicMe-chanicalSystem)技术的发展,基于MEMS技术的硅微惯性器件具有体积小、重量轻、成本低等优点,但是硅微惯性 器件在工作机理、加工工艺方面与传统的惯性器件有很大不同,因此以硅微惯性器件为基础的微惯性测量单元MIMU(Micro Iner-tialMeasurementUnit)在系统误差模型以及标定方法上与传统的IMU(InertialMeasurementUnit)有 较大差异,成为当前惯性技术研究热点之一.

　　在传统的误差标定补偿方面,常采用静态24位置方法[1],静态旋转多位置方法[2-3]、动静结合方法[4-6]进行标定.由于目前MEMS 微惯性器件精度普遍较低,传统静标定以及动静结合方法很难适用于现有的MIMU标定.本文提出了一种适用于低精度捷联惯性测量单元的“动态翻转6位置”标 定方法,该方法仅采用单轴速率转台,无需寻北,辨识分离误差系数精度高,快速便捷.实验证明采用该标定补偿方法后,MIMU精度可提高2~3个数量级.

　　1　MIMU误差数学模型

　　根据所采用的梳状音叉陀螺和电容式加速度计的误差机理,并参考传统IMU的误差模型[7-10],对角速度和加速度在常温下进行误差建模,误差模型分别如下.

　　MIMU角速度误差数学模型:

式中,Vgi为i轴陀螺输出电压(V);K(i)为i轴陀螺刻度因子(V/(°) /s);D0(i)为i轴陀螺零偏((°) /s);ωi为MIMU绕i轴转动角速度((°) /s);Eij为i轴陀螺j轴向安装误差系数;Dij为i轴陀螺与j轴向比力一次项有关的误差系数;D2i为i轴陀螺与该轴向比力二次项有关的误差系 数;εgi为i轴陀螺随机漂移误差((°) /s).其中i=x,y,z;j=x,y,z.

　　MIMU加速度误差数学模型:

　　式中,Vai为i轴加速度计输出电压(V);Fii为i轴加速度计刻度因子(V/g0,g0=9.8m/s2);C0(i)为i轴加速度计零偏 (g0);ai为MIMUi轴向加速度(g0);Fij为i轴加速度计j轴向安装误差系数;Tij为i轴加速度计与j轴向角速度有关的误差系数;εai为 i轴加速度计随机误差.其中i=x,y, z;j=x,y,z.

　　2　MIMU测试标定方案

　　测试前,首先设计一个具有较高加工精度的六面体工装夹具,将MIMU固定在六面体工装内,保证MIMU坐标系与六面体工装坐标系重合.以工装坐 标系Oxyz为基准正交翻转,采用“动态翻转6位置”的测试标定方案.具体如图1所示,保证MIMU每次有一个轴垂直于转台台面.

　　MIMU通电预热30min然后开始试验,按照图1确定的6个位置分别 以±5,±10,±30,±50,±100,±150,±200,±250和±300(°) /s共18个速率档在常温标准条件下进行测试采样,每个转速采集2min的数据.在不断电的情况下,完成6个位置的数据采集.