姿態傳感器溫度補償方法研究

摘 要： 針對電子產品可能會出現隨著環境溫度的變化而產生測量誤差的現象，在此選用姿態傳感器在檢測過程中出現這種誤差的情況，提出了一種在軟件方面利用最小二乘法進行溫度補償的方法。該方法計算簡單，補償精度高。通過實驗數據驗證表明，經過最小二乘法進行溫度補償后的檢測精度，相比補償前有了很大的提高。因此在高精度技術要求的檢測中，利用這種方法進行溫度補償后可精確地檢測出載體的姿態角度。

關鍵詞： 姿態傳感器； 溫度誤差； 溫度補償； 最小二乘法

中圖分類號： TN919?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0118?03

0 引 言

隨著微機電系統（MEMS）技術在微型化技術基礎上，結合了電子、機械、材料等多種學科交叉融合的前沿科研領域的不斷發展與成熟，從而出現了很多基于MEMS技術的傳感器，此類傳感器具有體積小、重量輕、低功耗、多功能等優點，在電子產品、航空航天、機械化工等行業中得到了廣泛應用。其中基于MEMS姿態傳感器主要用于載體姿態的調整和傾角的檢測，但是由于工作環境溫度的改變，就會導致測量精度的變化，在一些高精度檢測的要求下，則失去其檢測的效果，所以必須采取相應措施來消除或者減少隨溫度變化而引起的誤差[1]，即必須對傳感器進行溫度補償。

傳感器的溫度補償方法大致可以分為兩種，即硬件補償和軟件補償。硬件補償方法主要是改變電路來達到補償效果[2]，但是這種方法會導致電路的復雜化，同時提高了成本。軟件補償方法主要有最小二乘法、BP神經網絡法、回歸法等。從計算的方便性和補償精度的準確性兩個方面，本文采取最小二乘法進行溫度補償。

1 姿態傳感器的溫度補償原理

本文采用美國InvenSense公司生產的ITG?3205三軸陀螺儀芯片，該芯片中內嵌有數字輸出溫度傳感器，因此可以隨時檢測出傳感器所處的環境溫度。在不同的工作環境溫度下，傳感器實際角度輸出值與理論角度輸出值會出現一定的誤差，稱之為溫度誤差。為了消除或者減少這種溫度誤差，利用最小二乘法進行曲線擬合，最終達到或接近理論角度輸出值。

傳感器根據輸入的檢測信號，通過姿態檢測模塊和溫度檢測模塊采集相關數據，然后經過溫度補償模塊進行相應的溫度補償，最后通過輸出檢測模塊可得到預期的檢測信號。姿態傳感器的溫度補償原理如框圖1所示。

2 姿態傳感器的溫度補償方法

在同一溫度下，不同角度的理論值與輸出值之間嚴格意義上是一種非線性關系，但是由于這種誤差值相對不大，可以近似的認為是一種線性關系，即[y=mx+n]的線性關系。通過最小二乘法進行線性擬合，可以得出參數m和n的值。

此時可以發現，在不同的溫度下，所擬合出來的m和n值是隨溫度的變化而變化的。在此情況下，必須找出溫度分別與m和n之間的關系，為此同樣可以根據最小二乘法再次進行曲線擬合，從而得出m值與溫度之間的關系。同理也可以得出n與溫度之間的關系。經過兩次曲線擬合之后，可以得出理論值與輸出值之間的誤差有了明顯的減小，并且滿足預期的要求。在實際應用中，為了達到高精度檢測的要求，可以通過測量多組數據進行曲線擬合的方法來實現。

3 姿態傳感器的實驗數據處理

由于各軸的檢測原理是相同的，因此本論文采用x軸的檢測數據進行實驗驗證。主要的實驗儀器有被測姿態傳感器、經緯儀、高低恒溫箱、高精度角度檢測儀等。表1所得數據是未經溫度補償時的實驗數據，即原始數據。

表1 原始數據

3.1 第一次線性擬合

由于按照最小二乘法的基本步驟進行擬合的計算量比較大，所以本文采用Matlab進行數據處理，這樣不但可以減少復雜的計算過程，而且還可以保證較高的計算精度。

例如在溫度T=-30 °C的條件下，以理論角度x為自變量，輸出角度y為因變量，根據線性關系式[y=mx+n]，計算出參數m和n的值。具體計算程序如下：

3.2 第二次曲線擬合

以參數m為因變量，溫度t為自變量，根據曲線擬合式[mt=at2+bt+c]，利用Matlab求出a，b，c的值，最終確定m與t的函數關系式。同理，可求得n與t的函數關系式。具體計算程序如下：

4 實驗數據的驗證

傳感器未經溫度補償時的輸出為[y=mx+n]，即在t ℃時，無補償輸出為：

由于在實際檢測過程中，被檢測量為偏移角度，則理論角度應由已知檢測量來表達，因此由式（3）可得：

一般情況下，取室溫溫度為25 °C時的輸出為：

根據式（1）、（2）、（7）可得補償后的輸出值。償后的數據如表3所示。在表1中未補償前的最大誤差角度為0.682 7°，表3中補償后的最大誤差角度為0.261 6°，相對減少的誤差角度為0.421 1°。

5 結 語

由表1和表3的數據對比結果可以看出，經過溫度補償后的姿態檢測精度相比補償前有了很大的提高。由此說明，在環境溫度變化的條件下，利用最小二乘法進行溫度補償，可以達到預期的效果，因此這種方法可以運用到工程實際中。

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