惯性MEMS倾角测量误差补偿设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇惯性MEMS倾角测量误差补偿设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

引言

利用惯性元件可以对运动体的姿态进行测量，惯性mems（微机电系统）元件是近年来新出现的惯性器件，其具有低成本、高可靠性、低功耗、尺寸小等技术优势[1]，只是目前

精度还比较低，但这项技术的性能每年都有大幅度提高，应用领域也日益广泛。

陀螺仪在进行运动体姿态角测量时，随着测量时间的增加会产生漂移[2][3]，使所测得的姿态角不准确。在飞行器垂直起降阶段，飞行器可以看作是定基座装置，这样便可以用加速度计对飞行器进行等效倾角测量，并且因为加速度计漂移很小，其长时间测得的倾角也较为准确。因此，可以利用其对陀螺仪进行倾角测量的修正补偿[4]。

飞行器垂直起降阶段控制系统框图如图1所示，由内外双回路控制系统实现，其中姿态角的检测用于外角度环的控制[5]。

本次设计采用的MEMS惯性测量元件为ADI公司的陀螺仪ADXRS612，这是一款低成本角速率传感器，带有温度补偿输出，测量范围为±250°/ s，输出比例因素为7mV/°/s，带宽为0.01Hz~2.5kHz可调，漂移约为6°/ min，通过温度补偿算法可使漂移控制在200°/h，可用在惯性测量单元与平台稳定系统中。

利用ADXRS612进行姿态测量，只需将其输出对时间积分，即可得到被控对象在某一转动方向上的倾斜角。

控制系统整体结构及倾角测量原理

ADIS16210是基于SPI通讯方式的三轴加速度计，其测量范围为±1.7g，工作电压为3.0V~3.6V，带宽50Hz，用户可编程的采样频率、平均

滤波截止频率以及输出校正。

利用三轴加速度计进行倾角测量时，为消除重力加速度值不固定的影响，采用反正切的方法来计算。

如图2所示，θ为水平线与加速度计x轴的夹角，ψ为水平线与加速度计y轴的夹角，φ为重力矢量与z轴的夹角。以一般情况图(d)为例，加速度计x轴输出为：

sin

加速度计融合补偿

由于陀螺仪在短时间内的动态特性较好，且漂移是长时间累积产生的，因此在设计利用加速度计对陀螺仪所测倾角进行修正的方法中，我们采用在5ms短时间周期的姿态角由陀螺仪来确定，而在5s长时间补偿周期中，利用加速度计所测的等效倾角对陀螺仪所测角度进行误差补偿，这样便兼顾了二者的特性优势。

每次长周期开始的250ms内，取50组陀螺仪角度与加速度计所测角度的差，如图3所示。

从图中可以看出，陀螺仪漂移误差存在一定的波动，考虑到陀螺仪自身工作状态由于实验条件的影响，会出现一些不稳定的情况，加之实验中所取的点也会因为噪声的影响，使实验数据出现波动，这里我们忽略这些影响因素，只对陀螺仪漂移误差呈现直线趋势的部分进行补偿。我们设计采用最小二乘直线拟合，来修正每次长周期剩余4.75s内陀螺仪积分角度误差，这样就能减小陀螺仪的漂移影响了。修正机理如图4所示。

每一个5ms短周期内，分别检测出横滚、俯仰以及偏航方向上的角速率ω，积分求出角度增量θ?，与上一次得到的姿态角*