慣性MEMS傾角測量誤差補償設計

引言

利用慣性元件可以對運動體的姿態進行測量，慣性MEMS（微機電系統）元件是近年來新出現的慣性器件，其具有低成本、高可靠性、低功耗、尺寸小等技術優勢[1]，只是目前

精度還比較低，但這項技術的性能每年都有大幅度提高，應用領域也日益廣泛。

陀螺儀在進行運動體姿態角測量時，隨著測量時間的增加會產生漂移[2][3]，使所測得的姿態角不準確。在飛行器垂直起降階段，飛行器可以看作是定基座裝置，這樣便可以用加速度計對飛行器進行等效傾角測量，并且因為加速度計漂移很小，其長時間測得的傾角也較為準確。因此，可以利用其對陀螺儀進行傾角測量的修正補償[4]。

飛行器垂直起降階段控制系統框圖如圖1所示，由內外雙回路控制系統實現，其中姿態角的檢測用于外角度環的控制[5]。

本次設計采用的MEMS慣性測量元件為ADI公司的陀螺儀ADXRS612，這是一款低成本角速率傳感器，帶有溫度補償輸出，測量范圍為±250°/ s，輸出比例因素為7mV/°/s，帶寬為0.01Hz~2.5kHz可調，漂移約為6°/ min，通過溫度補償算法可使漂移控制在200°/h，可用在慣性測量單元與平臺穩定系統中。

利用ADXRS612進行姿態測量，只需將其輸出對時間積分，即可得到被控對象在某一轉動方向上的傾斜角。

控制系統整體結構及傾角測量原理

ADIS16210是基于SPI通訊方式的三軸加速度計，其測量范圍為±1.7g，工作電壓為3.0V~3.6V，帶寬50Hz，用戶可編程的采樣頻率、平均

濾波截止頻率以及輸出校正。

利用三軸加速度計進行傾角測量時，為消除重力加速度值不固定的影響，采用反正切的方法來計算。

如圖2所示，θ為水平線與加速度計x軸的夾角，ψ為水平線與加速度計y軸的夾角，φ為重力矢量與z軸的夾角。以一般情況圖(d)為例，加速度計x軸輸出為：

sin

加速度計融合補償

由于陀螺儀在短時間內的動態特性較好，且漂移是長時間累積產生的，因此在設計利用加速度計對陀螺儀所測傾角進行修正的方法中，我們采用在5ms短時間周期的姿態角由陀螺儀來確定，而在5s長時間補償周期中，利用加速度計所測的等效傾角對陀螺儀所測角度進行誤差補償，這樣便兼顧了二者的特性優勢。

每次長周期開始的250ms內，取50組陀螺儀角度與加速度計所測角度的差，如圖3所示。

從圖中可以看出，陀螺儀漂移誤差存在一定的波動，考慮到陀螺儀自身工作狀態由于實驗條件的影響，會出現一些不穩定的情況，加之實驗中所取的點也會因為噪聲的影響，使實驗數據出現波動，這里我們忽略這些影響因素，只對陀螺儀漂移誤差呈現直線趨勢的部分進行補償。我們設計采用最小二乘直線擬合，來修正每次長周期剩余4.75s內陀螺儀積分角度誤差，這樣就能減小陀螺儀的漂移影響了。修正機理如圖4所示。

每一個5ms短周期內，分別檢測出橫滾、俯仰以及偏航方向上的角速率ω，積分求出角度增量θ?，與上一次得到的姿態角*