基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)靜態(tài)修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，其內(nèi)容包括：將三軸MEMS加速度計(jì)和相關(guān)的外圍電路焊接于指定的電路板上，組成加速度計(jì)的測試和使用電路，保證加速度計(jì)的正常操作和數(shù)據(jù)輸出；然后將電路板固定于某一空間點(diǎn)，保證電路板能夠在空間的三個(gè)軸向上自由旋轉(zhuǎn)；通過外部裝置，手動(dòng)或者自動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)安裝有加速度計(jì)的電路板在空間旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度小于10°/s，保證加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)軌跡覆蓋球面的主要分布，同時(shí)記錄加速度計(jì)的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)；將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)PSO的處理方法，設(shè)計(jì)加速度計(jì)的誤差估計(jì)算法；根據(jù)估計(jì)的誤差模型，設(shè)置加速度的誤差修正模型，提高加速度計(jì)的測量精度。本發(fā)明方法有效地剔除了采樣過程中的隨機(jī)誤差，進(jìn)一步提高了MEMS加速度計(jì)的測量精度。
【專利說明】基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)靜態(tài)修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，該方法 根據(jù)計(jì)算的誤差模型修正三軸加速度計(jì)輸出中的零偏、量化誤差和正交誤差等主要靜態(tài)誤差。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems,縮寫為MEMS)加工制造技術(shù) 的日益提高，MEMS器件的使用得到了人們的廣泛關(guān)注和迅速推廣，其中MEMS加速度計(jì)的應(yīng) 用最為廣闊。由于MEMS傳感器的制造原因和使用方法，MEMS加速度計(jì)的靜態(tài)輸出存在一 定的測量誤差，限制了其使用效果，需要對其進(jìn)行修正以提高測量精度。
[0003]目前，工程中使用較為普遍的靜態(tài)修正方法是最大值最小值法，該方法僅能估計(jì) 標(biāo)度因子誤差和零位偏差，而且容易受到隨機(jī)誤差的干擾。另一種較為常用的修正方法是 和陀螺儀組成慣性測量單元進(jìn)行測試，具體的有組合標(biāo)定補(bǔ)償方法，該方法主要是依靠旋 轉(zhuǎn)平臺提供的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，可以同時(shí)校準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差，該方法模型完善，修 正效果精度高，但是在修正過程中，需要多次操作旋轉(zhuǎn)平臺，修正過程復(fù)雜繁瑣，而且旋轉(zhuǎn) 平臺的造價(jià)也超出了普通用戶的承受范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的測量精度，有效地估計(jì)加速度計(jì)的 靜態(tài)誤差參數(shù)，建立一個(gè)更為完善和全面的誤差模型，從而改善MEMS加速度計(jì)的使用效 果。
[0005]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加 速度計(jì)的靜態(tài)修正方法。通過分析MEMS加速度計(jì)的測量原理及其使用方法，確定其 主要誤差來源，在原有的誤差模型基礎(chǔ)上，提出了基于粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PS0)的加速度計(jì)靜態(tài)修正方法。因?yàn)闇y量誤差的存在，實(shí)際測量值分布在中 心為(bx，by, bz)的橢球面上，因此，把對MEMS加速度計(jì)的靜態(tài)修正轉(zhuǎn)換為橢球面約束下的 參數(shù)估計(jì)，確定PSO估計(jì)算法的適應(yīng)度函數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法確定誤差模型。
[0006]為了解決上述存在的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 的:
[0007]一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，其內(nèi)容包括如下步 驟:
[0008]第一步將三軸MEMS加速度計(jì)和相關(guān)的外圍電路焊接于指定的電路板上，組成 加速度計(jì)的測試和使用電路，保證加速度計(jì)的正常操作和數(shù)據(jù)輸出；然后將電路板固定于 某一空間點(diǎn)，保證電路板能夠在空間的三個(gè)軸向上自由旋轉(zhuǎn)；
[0009]第二步通過外部裝置，手動(dòng)或者自動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)安裝有加速度計(jì)的電路板在空間 旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度小于10° /S，保證加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)軌跡覆蓋球面的主要分布，同時(shí)記錄加速度計(jì)的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)；
[0010]第三步將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)PSO的處理方法，設(shè)計(jì)加速度計(jì)的誤差估計(jì)算法；
[0011]第四步根據(jù)估計(jì)的誤差模型，設(shè)置加速度的誤差修正模型，提高加速度計(jì)的測
量精度。
[0012]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果:
[0013]本發(fā)明方法有效地剔除了采樣過程中的隨機(jī)誤差，進(jìn)一步提高了 MEMS加速度計(jì)的測量精度。該方法不需要三軸旋轉(zhuǎn)平臺，降低了用戶的使用成本，計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，使得MEMS加速度計(jì)更好的滿足工程實(shí)際要求，為戶外測試等環(huán)境提供了新的選擇。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是三軸加速度計(jì)安裝誤差圖；
[0015]圖2是三軸加速度計(jì)矢量的球面和橢球面分布圖；
[0016]圖3是PSO計(jì)算流程圖；
[0017]圖4是三軸加速度計(jì)靜態(tài)修正的方案流程圖； 【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做更為詳細(xì)的說明:
[0019]實(shí)驗(yàn)中，使用ADI公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)ADXL345。在此設(shè)置其為13位A/D轉(zhuǎn)換，測量精度為3.9mg/LSB，量程為-2g~2g，故lg=255Counts。
[0020]一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，如圖4所示，其內(nèi)容包括如下步驟:
[0021]第一步將加速度計(jì)控制電路與載體固定，盡可能保持其Z軸與載體平面垂線平行，XY平面與載體平面平行，以減小安裝誤差。保證電路板在空間三軸自由旋轉(zhuǎn)。
[0022]第二步通過外部裝置，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝有加速度計(jì)的電路板和載體在空間旋轉(zhuǎn)， 旋轉(zhuǎn)速度小于10° /s，;通過I2C總線，按照40Hz進(jìn)行重力加速度值原始數(shù)據(jù)采樣，共采樣 1936次，采樣點(diǎn)基本覆蓋了球面的所有點(diǎn)，以保證參數(shù)估計(jì)的精度和準(zhǔn)確性。
[0023]第三步通過分析MEMS加速度計(jì)的測量原理及其使用方法，可以確定其主要誤差包括零偏，量化誤差，正交誤差，對準(zhǔn)誤差等，如圖1所示?？紤]到加速度計(jì)的測量精度和修正結(jié)果的實(shí)用性，在此忽略二次誤差項(xiàng)。按照其誤差特點(diǎn)，可得某MEMS陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中MEMS三軸加速度計(jì)的誤差模型，如下式所示。
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[0024]K = bx+nv + avSA Sv -a6S: gv = bv+nv + K21 St K2i gv h:」+ ”:」—a2 4 a3 -SvL g: J L b: + ":」1_[33 Ky1 Sz J[g__
[0025]式中，hx，hy，hz為MEMS加速度計(jì)的實(shí)際測量的重力場矢量；bx，by，bz為MEMS加速度計(jì)各軸向的零偏叫，a2，a3，a4，a5，a6為MEMS加速度計(jì)安裝過程中的正交誤差；SX，Sy, Sz 為MEMS加速度計(jì)的量化誤差，nx，ny，nz為MEMS加速度計(jì)隨機(jī)噪聲。
[0026]當(dāng)加速度計(jì)處于靜止時(shí)，加速度計(jì)輸出為lg，取I |g| |=9.8m/s2，因此加速度真值應(yīng)該分布在圓心為(0，0，0)、半徑為I |g,ef| |=9.8m/s2的球面上。因?yàn)闇y量誤差的存在，實(shí)際測量值的分布在一個(gè)橢球面上，加速度計(jì)矢量的球面和橢球面分布比較如圖2所示。因此加速度計(jì)的靜態(tài)修正轉(zhuǎn)換為橢球面約束下的參數(shù)估計(jì)。為了進(jìn)行對比，現(xiàn)給出基于橢球約束的最小二乘法所得出的加速度計(jì)誤差模型，待估計(jì)參數(shù)為9個(gè)，如下式所示:
【權(quán)利要求】
1.一種基于粒子群優(yōu)化的三軸微機(jī)械加速度計(jì)的靜態(tài)修正方法，其特征在于:該方法 內(nèi)容包括如下步驟:第一步將三軸MEMS加速度計(jì)和相關(guān)的外圍電路焊接于指定的電路板上，組成加速 度計(jì)的測試和使用電路，保證加速度計(jì)的正常操作和數(shù)據(jù)輸出；然后將電路板固定于某一 空間點(diǎn)，保證電路板能夠在空間的三個(gè)軸向上自由旋轉(zhuǎn)；第二步通過外部裝置，手動(dòng)或者自動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)安裝有加速度計(jì)的電路板在空間旋 轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度小于10° /s，保證加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)軌跡覆蓋球面的主要分布，同時(shí)記錄加速 度計(jì)的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)；第三步將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)PSO的處理方法，設(shè)計(jì)加速度計(jì)的誤 差估計(jì)算法；第四步根據(jù)估計(jì)的誤差模型，設(shè)置加速度的誤差修正模型，提高加速度計(jì)的測量精度。
【文檔編號】G01P21/00GK103592465SQ201310506588
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】金梅, 張志福, 李文超, 趙金閣, 李盼 申請人:燕山大學(xué)