专利名称：一种惯性测量单元精度补偿的方法
技术领域：
本发明涉及一种惯性测量单元精度补偿的方法。
背景技术：
作为航姿系统测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，惯性测量单 元(IMU，Inertial Measurement Unit)通常是由陀螺仪、加速度计和处理单元组成。其中， 尤以陀螺仪和加速度计的工作性能对测量数据的精确性影响最大。陀螺仪用于采集运动体 的角速度或角度，并采用脉冲信号的方式输出。加速度计用于采集运动体相对于水平面的 倾斜角度和俯仰角度，从而获得运动体速度、位置的变化量，通过串行通讯接口输出系统倾 斜角变化的信息。陀螺仪和加速度计输出的这些数据被送至航姿系统导航计算机中进行实时的姿 态矩阵解算。由于陀螺仪与加速度计是两个输出精度不同的设备，如果将两个设备输出的 数据同时运算的话，运算结果精度较差。尤其是当载有惯性测量单元的载体在运动初始阶 段，由于自身剧烈的振动导致陀螺仪和加速度计的输出相差甚大，从而影响整个惯性测量 单元输出数据的精度。

发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种惯性测量单元精度补偿的方法，通过 分时、优先采用陀螺仪或加速度计其中一个惯性测量器件的输出作为航姿系统航姿参数解 算的输入，以提高整个惯性测量单元输出数据的精度。本发明提供的一种惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，包括步骤A、在航姿系统上电后的设定时间内，航姿系统采集加速度计输出的载体相对于水 平面的姿态角度，即俯仰角度和横滚角度，用于航姿参数解算；B、设定时间后，航姿系统采集光纤陀螺输出的角速度信息，并由航姿系统根据该 角速度信息解算出姿态角度，即俯仰角度、横滚角度和航向角度；C、判断上述加速度计输出的姿态角度与航姿系统根据光纤陀螺测量到的角速度 信息解算出的姿态角度误差是否超过设定值，若是，加速度计修正步骤A中的俯仰角度和 横滚角度，同时结合步骤B解算得出的姿态角度中的航向角度，用于航姿参数解算，否则返 回步骤B。由上可以看出，上述方法步骤可以减小惯性测量单元初始化阶段受到的载体振动 的影响，提高了整个惯性测量单元在初始化阶段输出数据的精度。上述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤A所述的设定时间为5分钟。由上可以看出，上述方法步骤的设定时间可以最大程度地减少在初始化阶段振动 对惯性测量单元输出数据精度的影响。上述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤C所述误差的设定值为0. 8 度。由上可以看出，上述方法步骤将误差设定为0.8度时，对惯性测量单元精度的提 高帮助最大。上述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤C后还包括步骤D、判断光纤陀螺测量到的角速度，航姿系统根据该角速度信息解算出的姿态角度 是否大于设定值，若是，则将航姿系统根据该角速度信息解算出的姿态角度，即俯仰角度、 横滚角度和航向角度用于进行航姿参数解算；否则通过加速度计在设定时间内修正步骤A 所述的姿态角度，并返回本步骤。由上可以看出，上述方法步骤在角速度大于设定值时，采用具有较高波特率的光 纤陀螺可以缩短航姿系统进行航姿参数解算的时间。上述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤D所述设定值为0. 5度/秒。由上可以看出，上述方法中设定的角速度值大小适中，可以最大程度地缩短航姿 系统进行航姿参数解算的时间。上述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤D所述设定时间的值为2 分钟。由上可以看出，上述方法中设定的时间值大小适中，既不会降低航姿系统的实时 性，也不会频繁占用航姿系统的导航计算机的资源。。


图1为本发明惯性测量单元精度补偿的方法流程图。
具体实施例方式本发明的主要原理是，当载有惯性测量单元的载体在运动初始阶段，即对应惯性 测量单元从上电初始化到输出稳定阶段，通过分阶段的方式、先采用受初始化过程振动影 响小的加速度计的输出作为航姿参数解算的输入，待基本稳定后再采用陀螺仪的输出作为 航姿参数解算的主要输入，从而减小了惯性测量单元初始化阶段受到的载体振动的影响， 提高了整个惯性测量单元在初始化阶段输出数据的精度。下面结合图1对本发明方法进行详细介绍。步骤101-102 惯性测量单元上电预热后，加速度计在预先设定的时间内完成初 始化，并开始输出载体相对于水平面的姿态角度给航姿系统，以由航姿系统的导航计算机 根据该姿态角进行航姿参数解算。其中，由加速度计直接测量输出的姿态角度为俯仰角度 和横滚角度。本实施例的载体，如飞机、船，尤其导弹或鱼雷等，在运动前需要很大的动力，因此 在载体发射前的5分钟内该载体会有很强的振动。此时，使用受振动影响相对较小的加速 度计输出的载体相对于水平面的姿态角度(俯仰角度和横滚角度)作为航姿系统航姿参数 解算的输入。具体可为该角度经误差补偿(如振动误差补偿)后被带入由载体坐标系至 平台坐标系的方向续弦矩阵的计算，实现把载体坐标系轴向加速度信息变换到导航坐标系 轴向，即载体相对于水平面的姿态角度(俯仰角度和横滚角度)，进而可进行所需导航参数的计算，并最终通过CAN总线控制系统发送给上位机，例如控制仪表系统、测试设备等。由 于振动误差补偿非本发明的发明点，故此处不再赘述。步骤103 判断步骤102中设定的时间是否结束如果结束，进入步骤104 ；否则返 回步骤102，继续采用加速度计输出的姿态角度，即俯仰角度和横滚角度，作为航姿系统航 姿参数解算的输入。步骤104 上述设定的时间结束后，航姿系统开始采集光纤陀螺输出的角速度信 息，并由航姿系统的导航计算机采用姿态算法解算出该角速度信息中的姿态角度，并将该 姿态角度输出。其中，其解算出的姿态角度为俯仰角度、横滚角度和航向角度。在本实施例中，航姿系统的导航计算机采用的姿态算法为目前航姿系统设计中的 常用算法，例如可以采用四元数算法，该算法特点是所求参数少、计算量小、计算精度高、 可避免奇异性、无歪斜率、进行角速度积分求解姿态角度时只需进行加减法和乘法运算且 可以全姿态工作。此外，航姿系统的导航计算机在解算出姿态角度(俯仰角度、横滚角度和航向角 度)后，还要对其进行一些列的精度补偿，例如温度补偿，动静态误差补偿等。经补偿后的 姿态角度被航姿系统通过CAN总线控制系统发送给上位机，例如控制仪表系统、测试设备 等。温度补偿，动静态误差补偿非本发明的发明点，故此处不再赘述。步骤105 将上述加速度计输出的姿态角度(俯仰角度和横滚角度)与航姿系统 的导航计算机根据光纤陀螺测量到的角速度信息解算出的姿态角度(俯仰角度、横滚角度 和航向角度)进行比较运算当其结果大于设定的值，如0. 8度时，进入步骤106 ；否则，返 回步骤104由航姿系统的导航计算机采用姿态算法重新解算出光纤陀螺再次采集到的角 速度信息中的姿态角度(俯仰角度、横滚角度和航向角度)。其中，进行比较运算的姿态角 度可以是俯仰角度或横滚角度。本实施例的比较运算为将俯仰角度、横滚角度分别进行比较，S卩加速度计输出的 姿态角度中的俯仰角度减去航姿系统的导航计算机根据光纤陀螺输出的角速度信息解算 出的载体姿态角度中的俯仰角度；加速度计输出的姿态角度中的横滚角度减去航姿系统的 导航计算机根据光纤陀螺输出的角速度信息解算出的载体姿态角度中的横滚角度。如果所 述比较运算结果至少有一个的绝对值大于0. 8度，即加速度计与光纤陀螺的俯仰角度或横 滚角度测量误差大于0. 8度时，进入步骤106。步骤106 由加速度计修正并输出在其初始化阶段测得的载体相对于水平面的姿 态角度，即修正步骤102中的俯仰角度和横滚角度，同时结合根据光纤陀螺采集到的角速 度信息解算得出的姿态角度中的航向角度，将这三个角度信息提供给航姿系统的导航计算 机以进行航姿解算。在本实施例中，当加速度计输出的姿态角度中的俯仰角度与航姿系统的导航计算 机解算出的姿态角度中的俯仰角度相差0. 8度以上时，加速度计通过测量静态重力加速度 的变化，并将该变化转换成倾角的变化后输出载体相对于水平面的俯仰角度，来完成对加 速度计初始化阶段测得的载体相对于水平面的俯仰角度的修正；当加速度计输出的姿态角 度中的横滚角度与航姿系统的导航计算机解算出的姿态角度中的横滚角度相差0.8度以 上时，加速度计使用上述方法对横滚角度进行修正。同理，当上述的俯仰角度和横滚角度测 量误差同时大于0. 8度时，加速度计使用上述方法对俯仰角度和横滚角度进行修正。最终，上述三个角度(俯仰角度、横滚角度和航向角度)被航姿系统通过CAN总线控制系统发送 给上位机，例如控制仪表系统、测试设备等。步骤107-步骤108 判断航姿系统采集的光纤陀螺输出的角速度是否大于0. 5米 /秒如果大于该数值，由航姿系统的导航计算机采用姿态算法解算出该角速度信息中的 姿态角度，即俯仰角度、横滚角度和航向角度，并将该姿态角度输出；否则，进入步骤109。由于光纤陀螺的一个重要硬件参数波特率要高于加速度计的波特率，因此在角速 度较大时本实施例的航姿系统会采集光纤陀螺输出的角速度信息作为相对精确的输入，由 航姿系统的导航计算机采用姿态算法解算出该角速度信息中的姿态角度(俯仰角度、横滚 角度和航向角度)，并将该姿态角度输出。航姿系统的导航计算机采用的姿态算法为目前航 姿系统设计中的常用算法，例如上述的四元数算法。此外，航姿系统的导航计算机在解算出姿态角度(俯仰角度、横滚角度和航向角 度)后，还要对其进行一些列的精度补偿，例如温度补偿，动静态误差补偿等。经补偿后的 姿态角度被航姿系统(俯仰角度、横滚角度和航向角度)通过CAN总线控制系统发送给上 位机，例如控制仪表系统、测试设备等。步骤109 加速度计每隔设定时间，如2分钟修正在其初始化阶段测得的载体相对 于水平面的姿态角度，即修正步骤102中的俯仰角度和横滚角度，并将修改后的姿态角度 和结合根据光纤陀螺采集到的角速度信息解算得出的姿态角度中的航向角度，将这三个角 度信息提供给航姿系统的导航计算机以进行航姿解算。在本实施例中，加速度计通过测量静态重力加速度的变化，并将该变化转换成倾 角的变化后输出载体相对于水平面的姿态角度(俯仰角度和横滚角度)，来完成对加速度 计初始化阶段测得的载体相对于水平面的姿态角度(俯仰角度和横滚角度)的修正。上述 姿态角度被航姿系统通过CAN总线控制系统发送给上位机，例如控制仪表系统、测试设备 等。加速度计对于其初始化阶段测得的载体相对于水平面的姿态角度的修正时间间隔不宜 过长，也不宜过短。修正时间间隔过长，会降低航姿系统的实时性，直接影响到航姿系统航 姿参数的精度；修正时间间隔过短，则会频繁占用航姿系统的导航计算机的资源，影响其进 行其他功能控制的速度，例如实现数字处理器的接口时序控制和外围接口地址译码。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，包括步骤A、在航姿系统上电后的设定时间内，航姿系统采集加速度计输出的载体相对于水平面 的姿态角度，即俯仰角度和横滚角度，用于航姿参数解算；B、在上述设定时间后，航姿系统采集光纤陀螺输出的角速度信息，并由航姿系统根据 该角速度信息解算出姿态角度，即俯仰角度、横滚角度和航向角度；C、判断上述加速度计输出的姿态角度中的俯仰角度或/和横滚角度与航姿系统根据 光纤陀螺测量到的角速度信息解算出的姿态角度中的俯仰角度或/和横滚角度误差是否 超过设定值，若是，加速度计修正步骤A中的俯仰角度或/和横滚角度；并结合步骤B解算 得出的姿态角度中的航向角度，用于航姿参数解算，否则返回步骤B。
2.根据权利要求1所述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤A所述的设 定时间为5分钟。
3.根据权利要求1所述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤C所述误差 的设定值为0.8度。
4.根据权利要求1所述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤C后还包括 步骤D、判断光纤陀螺测量到的角速度是否大于角速度的设定值，若是，则将航姿系统根据 该角速度信息解算出的姿态角度，即俯仰角度、横滚角度和航向角度用于进行航姿参数解 算；否则通过加速度计在设定时间内修正步骤A所述的姿态角度，并返回本步骤。
5.根据权利要求4所述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤D所述角速 度的设定值为0.5度/秒。
6.根据权利要求4所述的惯性测量单元精度补偿的方法，其特征在于，步骤D所述设定 时间为2分钟。
全文摘要
本发明提供的一种惯性测量单元精度补偿的方法，包括A、在航姿系统上电后的设定时间内，航姿系统采集加速度计输出的载体相对于水平面的姿态角度；B、设定时间后，航姿系统采集光纤陀螺输出的角速度信息，并由航姿系统根据该角速度信息解算出姿态角度；C、判断上述加速度计输出的姿态角度与航姿系统根据光纤陀螺测量到的角速度信息解算出的姿态角度误差是否超过设定值，若是，加速度计修正步骤A中的姿态角度，同时结合步骤B解算得出的姿态角度中的航向角度，用于航姿参数解算，否则返回步骤B。通过分时、优先采用陀螺仪或加速度计其中一个惯性测量器件的输出作为航姿系统航姿参数解算的输入，以提高整个惯性测量单元输出数据的精度。
文档编号G01C21/18GK102135431SQ201010101010
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者张宪龙 申请人:北京三驰科技发展有限公司