一種陀螺儀校準方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本申請公開了一種陀螺儀校準方法和裝置，所述方法在獲得三軸陀螺儀的三軸測量值以及三軸陀螺儀的標度因子、常值誤差的基礎上，基于所述標度因子及常值誤差，對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，最終得到校準后的三軸測量結果。可見，應用本申請方法，可有效補償三軸陀螺儀由于零偏(常值誤差)、標度因子所引起的測量誤差，從而提升了三軸陀螺儀測量結果的準確度，進而可提升應用三軸陀螺儀的無人機及車載導航等系統的姿態測量的準確度。
【專利說明】
一種陀螺儀校準方法和裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于機器/儀器校準技術領域，尤其涉及一種陀螺儀校準方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 三軸MEMS(Micr〇-Electr〇-Mechanical System，微機電系統）陀螺儀常用來測量 物體三個方向的角速率信息，以實現基于所測量的角速率解算物體的姿態信息，其在無人 機及車載導航等領域得到了廣泛應用。
[0003] 三軸陀螺儀的三個軸向（x軸、y軸、z軸）分別安裝于三個正交面上，構成右手坐標 系。由于受陀螺儀自身工作原理、結構以及集成制造、安裝等因素的影響，三軸陀螺儀的三 軸向之間不能正交，從而導致存在一定的測量誤差，由于無人機及車載導航等系統的姿態 測量要求較高的準確度，基于此，對陀螺儀進行誤差估計及校準具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種陀螺儀校準方法和裝置，旨在補償三軸陀 螺儀的輸出值與真實值之間的偏差，提升三軸陀螺儀測量結果的準確度。
[0005] 為此，本發明公開如下技術方案：
[0006] -種陀螺儀校準方法，包括：
[0007] 獲得三軸陀螺儀的三軸測量值；
[0008] 獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差；
[0009] 基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，得到 校準后的三軸測量結果。
[0010] 上述方法，優選的，所述獲得三軸陀螺儀的三軸測量值包括：
[0011] 獲得安裝位置相對的一對三軸陀螺儀中第一陀螺儀的第一三軸輸出值，及第二陀 螺儀的第二三軸輸出值;其中，所述安裝位置相對包括:所述第一陀螺儀的三個軸向與所述 第二陀螺儀的三個軸向分別對應相反；
[0012] 計算所述第一三軸輸出值與所述第二三軸輸出值在三個軸向的差分值；
[0013] 基于所述三個軸向的差分值，計算所述三軸陀螺儀的三軸測量值。
[0014] 上述方法，優選的，所述獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差包括：
[0015] 基于所述三軸陀螺儀在預設數量的多個預設標定位置處相應輸出的多組三軸測 量結果，計算所述三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。
[0016] 上述方法，優選的，所述預設數量為4,所述預設數量的多個預設標定位置為:在東 北天坐標系的24種位置中選取的4種位置。
[0017] 上述方法，優選的，所述基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸 測量值進行校準，得到校準后的三軸測量結果包括：
[0018] 基于以下計算式對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準：
[0020]其中，[0X 0y 0Z]T表示校準后的三軸測量結果；
[0021] COmy C〇mZ]T表示所述三軸陀螺儀的三軸測量值；
[0022] [Dx Dy DZ]T表示常值誤差；
[0024] 一種陀螺儀校準裝置，包括：
[0025]第一獲取模塊，用于獲得三軸陀螺儀的三軸測量值；
[0026]第二獲取模塊，用于獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差；
[0027]校準模塊，用于基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量值 進行校準，得到校準后的三軸測量結果。
[0028]上述裝置，優選的，所述第一獲取模塊包括：
[0029]獲取單元，用于獲得安裝位置相對的一對三軸陀螺儀中第一陀螺儀的第一三軸輸 出值，及第二陀螺儀的第二三軸輸出值;其中，所述安裝位置相對包括:所述第一陀螺儀的 三個軸向與所述第二陀螺儀的三個軸向分別對應相反；
[0030]第一計算單元，用于計算所述第一三軸輸出值與所述第二三軸輸出值在三個軸向 的差分值；
[0031] 第二計算單元，用于基于所述三個軸向的差分值，計算所述三軸陀螺儀的三軸測 量值。
[0032] 上述裝置，優選的，所述第二獲取模塊包括：
[0033]第三計算單元，用于基于所述三軸陀螺儀在預設數量的多個預設標定位置處相應 輸出的多組三軸測量結果，計算所述三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。
[0034]上述裝置，優選的，所述校準模塊包括：
[0035]校準單元，用于基于以下計算式對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準：
[0037]其中，[0X 0y 0Z]T表示校準后的三軸測量結果；
[0038] [?mx ?my ?mz]T表示所述三軸陀螺儀的三軸測量值；
[0039] [Dx Dy DZ]T表示常值誤差；
[0041] 由以上方案可知，本申請公開了一種陀螺儀校準方法和裝置，所述方法在獲得三 軸陀螺儀的三軸測量值以及三軸陀螺儀的標度因子、常值誤差的基礎上，基于所述標度因 子及常值誤差，對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，最終得到校準后的三軸測量結果。可 見，應用本申請方法，可有效補償三軸陀螺儀由于零偏(常值誤差）、標度因子所引起的測量 誤差，從而提升了三軸陀螺儀測量結果的準確度，進而可提升應用三軸陀螺儀的無人機及 車載導航等系統的姿態測量的準確度。
【附圖說明】
[0042] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 提供的附圖獲得其他的附圖。
[0043] 圖1是本申請實施例一提供的陀螺儀校準方法流程圖；
[0044] 圖2-圖3是本申請實施例二提供的陀螺儀校準裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0046] 實施例一
[0047]
【申請人】在對三軸陀螺儀進行誤差研究的基礎上，得出三軸陀螺儀由于安裝精度和 裝配工藝等原因引起的安裝耦合誤差的輸出模型可以表示如下：
[0049]其中，[?mx ?my ?mz]T為三軸陀螺儀的三軸測量值，具體為三軸陀螺儀測量得到 的三軸角速度；[?x ?y ?z]T為真實的角速度;SU為線性刻度因子誤差矢量，^為非正交 因子矢量，[D ux Duy DUZ]T為常值誤差，[sux Suy SUZ]T為系統的噪聲誤差。
[0050] 令K = l+Su+Ulj以上式（1)可以表示為：
[0052] 在式(2)中，Kyx、Kzx表示三軸陀螺儀的x軸對應的安裝耦合誤差;Kxy、K zy表示三軸陀 螺儀的y軸對應的安裝耦合誤差;Kxz、Kyz表示三軸陀螺儀的z軸對應的安裝耦合誤差;K xx、 Kyy、Kzz分別表示三軸陀螺儀的3個敏感軸即X軸、y軸、Z軸對應的標定因數。
[0053]由于噪聲對測量結果的影響較小，基于此，本實施例忽略噪聲的影響，并將常值誤 差標記為[Dx Dy DZ]T，從而依據以上的式(2)，可以得到以下式(3)示出的真實值即真實的 角速度值與三軸陀螺儀的三軸測量值間的函數關系：
[0055]在該式（3)中，[?x ?y ?Z]T具體表示真實的三軸角速度，由于本申請旨在對三 軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，以使得校準后的三軸測量結果盡量與真實值貼合，基于 此，在本申請中[Wx ? Z]T還可表示校準后的三軸測量結果；[?mx ?my ?mz]T表示三軸 陀螺儀的三軸測量值；[Dx Dy DZ]T表示常值誤差：
表示標度因子。
[0056] 基于式(3)可知，可通過獲取三軸陀螺儀的三軸輸出值，以及三軸陀螺儀的標度因 子及常值誤差，并基于獲取的三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差對其三軸測量值進行校 準，來得到準確度較高、與真實值較為貼合的三軸測量結果。
[0057]在以上研究的基礎上，本申請實施例一提出一種陀螺儀校準方法，該方法適用于 對三軸陀螺儀的三軸輸出進行校準，以提升三軸陀螺儀測量結果的準確度，參考圖1示出的 陀螺儀校準方法流程圖，所述方法可以包括以下步驟：
[0058] S101:獲得三軸陀螺儀的三軸測量值。
[0059]具體實施本申請時，可通過直接讀取陀螺儀輸出的x軸、y軸、z軸的三軸角速度信 息，實現獲得三軸陀螺儀的三軸測量值。
[0060] 在本申請其他實施例中，為了抑制溫度漂移對測量結果的影響，提高測量結果的 精度，還可以使用一對三軸傳感器，并使其安裝位置相對，即安裝時，使得所述一對傳感器 中的第一傳感器及第二傳感器的三個軸向（X軸、y軸、Z軸)分別對應相反，此種安裝方式若 不考慮溫漂可以使得所述一對三軸傳感器的測量結果大小相等方向相反，若考慮溫漂，由 于兩個三軸傳感器溫漂的方向性一致，因此，將兩個三軸傳感器輸出的兩組測量數據按軸 向進行差分運算(相減）即可得到2倍的測量值，從而在此基礎上，基于差分運算所得的差分 值即可得到三軸陀螺儀的三軸測量值(分別對三個軸向的差分值進行半值運算）。采用該方 式可有效抑制溫度漂移對測量結果的影響，提高測量結果的精度。
[0061] S102:獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。
[0062]三軸陀螺儀在東北天坐標系中共有24種位置，為了減少標定狀態，本實施例選取 其中的4個位置進行標度因子及常值誤差的計算。
[0063]其中，在東北天坐標系中的24種位置具體可參考如下的表1所示：
[0064]表 1
[0066] 本實施例具體選取將陀螺儀的敏感軸(x軸、或y軸、或z軸)指向東向或西向，這樣 理論上地球自轉速率在該軸向的分量為零，從而可簡化校準過程，提高測量精度，本實施例 所選取的三軸陀螺儀的4個標定位置具體參考以下的表2。
[0067] 表 2
[0069]三軸陀螺儀的敏感軸指向東或西，則地球自轉速率在該軸向的分量即為零，取上 述四個位置，可以推導出標度因子的相關參數的計算公式如下：
[0073] 其中，在式(4)(5)(6)中，表示當地的地理煒度，《 e表示地球的自轉角速率。
[0074] 接下來，針對上述四個位置，為相應敏感軸朝向是東（西）設置一個可以接受的誤 差限值e，即在不超過誤差限值e的情況下，可以認為該敏感軸的朝向是東（西）。之后，在上 述四個位置中的每一位置處，均測量得到在該位置時三軸陀螺儀的一系列輸出數值，并對 測量所得的一系列輸出數值按軸向求取平均值（以減少噪聲對實驗結果的影響），從而得到 該位置處求取標度因子所需的陀螺儀測量結果參數《mxi、W myi、《mzi，其中，i = l，2,3,4,分 別對應上述四個位置。
[0075] 相對應地，如果不考慮噪聲影響，為簡化測量過程，也可以在每個位置處直接測量 一組輸出值，并將其作為所述wmxi、《 myi、《mzi。具體實施本申請時，本領域技術人員可基于 實際考慮，選擇合適的方式來獲得所述陀螺儀測量結果參數《^、《 myl、
[0076] 在此基礎上，可利用所述標度因子的陀螺儀測量結果參數c〇mxi、c〇mzi計算 三軸陀螺儀的標度因子。
[0077] 對于常值誤差中的0\、〇7、02，則可以分別測量得出以上四個位置對應的四組三軸 陀螺儀輸出值，并對四組輸出值按軸向（x軸、y軸、z軸)求取平均值，得到所述Dx、Dy、D z，即具 體地，所述Dx、Dy、Dz可按以下方式計算得出：
[0078] Dx=三軸陀螺儀在4個位置的x軸測量值的均值；
[0079] Dy =三軸陀螺儀在4個位置的y軸測量值的均值；
[0080] Dz =三軸陀螺儀在4個位置的z軸測量值的均值。
[0081] 在實施本申請時，求取標度因子及常值誤差所需的相關測量及計算過程具體可作 為預處理步驟預先完成，并對所得的標度因子及常值誤差數據進行存儲，從而在利用三軸 陀螺儀進行角速率信息測量，并對測量結果進行校準時，可直接讀取存儲的標度因子及常 值誤差數據進行測量結果的校準。
[0082] S103:基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準， 得到校準后的三軸測量結果。
[0083]在以上步驟的基礎上，本步驟具體可基于獲取的三軸陀螺儀的標度因子及常值誤 差，并利用以上的式(3)對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，從而可得到與真實值較為貼 合的三軸校準結果數值。
[0084]由以上方案可知，本申請公開了的陀螺儀校準方法，在獲得三軸陀螺儀的三軸測 量值以及三軸陀螺儀的標度因子、常值誤差的基礎上，基于所述標度因子及常值誤差，對三 軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，最終得到校準后的三軸測量結果。可見，應用本申請方 法，可有效補償三軸陀螺儀由于零偏(常值誤差）、標度因子所引起的測量誤差，從而提升了 三軸陀螺儀測量結果的準確度，進而可提升應用三軸陀螺儀的無人機及車載導航等系統的 姿態測量的準確度。
[0085] 實施例二
[0086] 本實施例二公開一種陀螺儀校準裝置，參考圖2示出的陀螺儀校準裝置的結構示 意圖，所述裝置包括第一獲取模塊1〇〇、第二獲取模塊200和校準模塊300。
[0087] 第一獲取模塊100，用于獲得三軸陀螺儀的三軸測量值。
[0088] 如圖3所示，所述第一獲取模塊100包括獲取單元101、第一計算單元102和第二計 算單元103。
[0089]獲取單元101，用于獲得安裝位置相對的一對三軸陀螺儀中第一陀螺儀的第一三 軸輸出值，及第二陀螺儀的第二三軸輸出值;其中，所述安裝位置相對包括:所述第一陀螺 儀的三個軸向與所述第二陀螺儀的三個軸向分別對應相反；
[0090] 第一計算單元102,用于計算所述第一三軸輸出值與所述第二三軸輸出值在三個 軸向的差分值；
[0091] 第二計算單元103,用于基于所述三個軸向的差分值，計算所述三軸陀螺儀的三軸 測量值。
[0092] 第二獲取模塊200,用于獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。
[0093]所述第二獲取模塊200包括第三計算單元201，用于基于所述三軸陀螺儀在預設數 量的多個預設標定位置處相應輸出的多組三軸測量結果，計算所述三軸陀螺儀的標度因子 及常值誤差。
[0094]校準模塊300,用于基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量 值進行校準，得到校準后的三軸測量結果。
[0095]所述校準模塊300包括校準單元301，用于基于以下計算式對三軸陀螺儀的三軸測 量值進行校準：
[0097]其中，[0X 0y 0Z]T表示校準后的三軸測量結果；
[0098] [comx comy comz]T表示所述三軸陀螺儀的三軸測量值；
[0099] [Dx Dy DZ]T表示常值誤差；
[0101] 對于本發明實施例二公開的陀螺儀校準裝置而言，由于其與實施例一公開的陀螺 儀校準方法相對應，所以描述的比較簡單，相關相似之處請參見實施例一中陀螺儀校準方 法部分的說明即可，此處不再詳述。
[0102] 為了描述的方便，描述以上系統或裝置時以功能分為各種模塊或單元分別描述。 當然，在實施本申請時可以把各單元的功能在同一個或多個軟件和/或硬件中實現。
[0103] 通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術人員可以清楚地了解到本申請可 借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現。基于這樣的理解，本申請的技術方案本質 上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品 可以存儲在存儲介質中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備 (可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本申請各個實施例或者實施例的某些 部分所述的方法。
[0104]最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一、第二、第三和第四等之類的關系術語 僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些 實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何 其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備 不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方 法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的 要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。 [0105]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種陀螺儀校準方法，其特征在于，包括： 獲得三軸陀螺儀的三軸測量值； 獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差； 基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，得到校準 后的三軸測量結果。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲得三軸陀螺儀的三軸測量值包括： 獲得安裝位置相對的一對三軸陀螺儀中第一陀螺儀的第一三軸輸出值，及第二陀螺儀 的第二三軸輸出值;其中，所述安裝位置相對包括:所述第一陀螺儀的三個軸向與所述第二 陀螺儀的三個軸向分別對應相反； 計算所述第一三軸輸出值與所述第二三軸輸出值在三個軸向的差分值； 基于所述三個軸向的差分值，計算所述三軸陀螺儀的三軸測量值。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤 差包括： 基于所述三軸陀螺儀在預設數量的多個預設標定位置處相應輸出的多組三軸測量結 果，計算所述三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述預設數量為4，所述預設數量的多個預 設標定位置為:在東北天坐標系的24種位置中選取的4種位置。5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述標度因子及常值誤差，對所 述三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準，得到校準后的三軸測量結果包括： 基于以下計算式對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準：其中，[?x ?Z]T表示校準后的三軸測量結果； [?mx ?my ?mz]T表示所述三軸陀螺儀的三軸測量值； [Dx Dy DZ]T表示常值誤差；6. -種陀螺儀校準裝置，其特征在于，包括： 第一獲取模塊，用于獲得三軸陀螺儀的三軸測量值； 第二獲取模塊，用于獲得三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差； 校準模塊，用于基于所述標度因子及常值誤差，對所述三軸陀螺儀的三軸測量值進行 校準，得到校準后的三軸測量結果。7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一獲取模塊包括： 獲取單元，用于獲得安裝位置相對的一對三軸陀螺儀中第一陀螺儀的第一三軸輸出 值，及第二陀螺儀的第二三軸輸出值;其中，所述安裝位置相對包括:所述第一陀螺儀的三 個軸向與所述第二陀螺儀的三個軸向分別對應相反； 第一計算單元，用于計算所述第一三軸輸出值與所述第二三軸輸出值在三個軸向的差 分值； 第二計算單元，用于基于所述三個軸向的差分值，計算所述三軸陀螺儀的三軸測量值。8. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第二獲取模塊包括： 第三計算單元，用于基于所述三軸陀螺儀在預設數量的多個預設標定位置處相應輸出 的多組三軸測量結果，計算所述三軸陀螺儀的標度因子及常值誤差。9. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述校準模塊包括： 校準單元，用于基于以下計算式對三軸陀螺儀的三軸測量值進行校準：其中，[?x ?Z]T表示校準后的三軸測量結果； [?mx ?my ?mz]T表示所述三軸陀螺儀的三軸測量值； [Dx Dy DZ]T表示常值誤差；
【文檔編號】G01C25/00GK106052719SQ201610621864
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月1日
【發明人】謝月
【申請人】中科創達軟件股份有限公司