梁佩雷许江宁程章

（海军工程大学导航工程系武汉430033）

一种用于个人导航系统的低精度MEMS器件标定方法

梁佩雷许江宁程章

（海军工程大学导航工程系武汉430033）

针对个人足部导航MEMS器件误差较大，直接影响个人导航精度的问题，论文采用了一种十二位置标定法。首先建立陀螺仪和加速度计的输入输出误差模型，然后给出十二位置标定的位置编排，最后通过三轴转台实验，得出标定结果。结果表明，补偿后的MEMS器件误差有所减小，为提高个人鞋式导航系统的精度打下了基础。

个人导航；微型惯性器件；标定方法

Class NumberTN96

1 引言

个人导航系统（Personal Navigation System），是由个人携带，可以实时确定行人方向、速度、位置信息的系统，主要用于确定行人的实时位置［1～3］。以微型惯性器件为核心的个人导航模块，可以在室内、水下、森林等无GPS信号或GPS信号弱的环境下实现定位导航功能。适用于士兵、警察以及从事消防、抢险等高危险工作的人员，用以提供在危险场所的实时定位；同时，在地下勘测、丛林探险等无GPS信号或GPS信号弱的情况下，个人导航系统也可以发挥其定位导航的功能［4～8］。

基于MEMS的个人导航系统在本质上是以惯性导航基本原理为基础，利用自身传感器进行位置的推算，从而实现定位与导航。MEMS器件具有重量轻、体积小、价格低廉、便于在人体上的安装与携带等优点［9～13］，但是MEMS传感器的精度低，采用一般的捷联惯性导航解算方法已无法满足定位精度要求。针对此，国内很多学者提出了优化算法。西北工业大学张金亮、秦永元等［14］在研究低精度鞋式个人惯性导航系统修正算法的基础上，引入了零速修正算法，导航精度达2%；上海交通大学茅旭初、孙作雷等［15］提出低成本步行者航位推算的方法，经测试行走1km，定位的累积误差小于10m。

同时，有研究表明［16］，基于MEMS的个人导航系统中80%的误差来源于器件误差。所以，在无法提高器件精度的条件下，对MEMS器件进行标定与补偿也能在很大程度上减小导航误差，提高定位的精度。针对二十四位置标定方法［7］时间过长，且多次旋转还可能引入转台转动误差的问题，本论文采用一种十二位置标定的方法，利用三轴转台，对MEMS加速度计进行标定，同时测量陀螺仪的漂移［17-20］。结果表明，补偿后的MEMS器件误差有所减小，能够提高个人导航的精度。

2 MEMS组成结构

本实验所采用的MEMS器件为以MPU6050惯性测量单元、HMC5883三轴磁力计和BMP180气压高度计组成的模块，如图1所示。

本实验主要是对MPU6050集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪进行标定。该器件是著名的9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如本模块中的HMC5883磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号。通过组合导航算法即可输出速度和位置信息。为方便对其进行标定时数据的采集，需要DB15接头、仿真器和自制转接线。

3 MEMS器件误差模型

MEMS惯性器件的误差模型本质上是建立MEMS器件的输入输出模型，标定的目的即为计算出该模型中的系数矩阵，对误差进行补偿，从而提高器件的精度。本文利用三轴转台进行了静态测试实验，标定出MEMS加速度计的各项参数，同时可以得出MEMS陀螺的零偏值。

3.1 MEMS陀螺误差模型

MEMS陀螺的误差主要包括刻度因数、安装误差和零偏。由于MEMS陀螺输出为的角速率，因此将实际角速率作为输入，MEMS陀螺输出的角速率为输出，由此建立陀螺的误差模型。

3.2 MEMS加速度计误差模型

与陀螺仪的误差模型类似，MEMS加速度计的误差模型为

展开如下

4 十二位置静态标定方法

4.1 标定十二位置编排

十二位置编排方式为载体坐标系上三轴分别朝上、朝下各一次，在每种朝向上转台转动180◦，用来抵消转台寻北的误差。在转台静止时对加速度计和陀螺仪的数据进行采集，编排如下表所示。

4.2 实验步骤

1）将三轴加速度计安装于三轴转台台面的中心，Z轴垂直于转台台面，X、Y轴分别与转台台面平行；

2）转台通电，同时给器件供电，稳定5min后，调整转台外框、中框与内框以表1的位置运行，各轴敏感的重力加速度也如表1所示；

3）期间，利用上位机软件对MEMS三轴加速度计和陀螺仪输出的数据进行采集，每个位置点静止采集2min，采样频率设置为100Hz。

表1 十二位置编排

4）读取MEMS加速度计和陀螺仪的输出值，根据不同位置的输出值可以得出标定系数。

4.3 误差模型参数计算

采用十二位置法在标定MEMS加速度计的同时，可以标定出陀螺仪的零偏，在表1的前四个顺序中，三轴分别出现了正反方向，从而可以抵消X轴向上的影响，计算出X轴方向上的陀螺零偏，前四个位置陀螺的平均输出为

同理，Y轴和Z轴方向上的MEMS陀螺零偏的计算与X轴类似。

对MEMS加速度计的参数进行标定时，将式（4）可以表示为

相加得X轴方向上陀螺零偏为

[fxfyfz]T为当前位置时的加速度计输出的平均值，为当前位置重力的输出，多次位置实验后可以写出下式

利用最小二乘法即可计算出所有的参数。

5 实验结果

实验所用三轴转台及测试环境如图2、3所示。

十二位置标定结果如表2所示。

表2 十二位置标定结果

为了验证补偿结果，将三轴转台内框、中框、外框分别调至一定位置，在理论上X轴、Y轴和Z轴的输出为7.34m/s2、4.90m/s2和4.24m/s2，陀螺仪的输出为0，标定前和补偿后的结果如图4、图5所示，浅灰色为补偿后的输出，深灰色为原始输出。

由图所示可以明显看出，加速度计的补偿效果较好，但是陀螺仪的补偿效果较差。

6 结语

通过十二位置标定法，可以较好地标定出加速度计的各项误差参数，同时也能测得陀螺的零偏值。补偿后的MEMS加速度计的输出明显好于未补偿之前的原始输出，证明了模型和实验的有效性。但是本次实验也存在一定问题，首先是陀螺仪的输出没有得到较好的补偿，分析有如下几点原因：一是MEMS陀螺仪出厂前经过校正，零偏值已经很小，所以补偿效果较差；二是本方法只能测得陀螺的零偏值，无法测量陀螺漂移，而陀螺漂移是陀螺仪中重要的误差项，对陀螺的输出影响较大，因此，还需要设计相应实验，测得陀螺误差项中的其它量，这样补偿后的陀螺输出才更接近于真实值。最后，本实验中并没有考虑温度对测试的影响，同样会对结果产生干扰，这些都是之后需要继续研究的。

［1］胡志伟.基于MTi的硅微系统初始对准技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

［2］王如胜.MEMS陀螺捷联惯导系统标定方法研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

［3］韩盈党.基于MEMS传感器室内导航的系统设计［D］.西安：西安邮电大学，2014.

［4］Priyanka Aggarwal，Zainab Syed，Aboelmagd Noureldin. MEMS-Based Integrated Navigation［M］.Boston：Artech House，2010.

［5］宋丽君，秦永元.MEMS加速度计的六位置测试法［J］.测控技术，2009，（07）：11-13，17.

［6］Kuznetsov A G，Galkin V I，Molchanov A V，et al. MEMS IMU：Development and flight test results［J］.Gy⁃roscopy and Navigation，2012，3（4）：255-264.

［7］Li Y，Niu X，Zhang Q，et al.An in situ hand calibration method using a pseudo-observation scheme for low-end inertial measurement units［J］.Measurement Science and Technology，2012，23（10）：104-105.

［8］严恭敏，秦永元.激光捷联惯组的双轴位置转台标定仿真［J］.中国惯性技术学报，2007，15（1）：123-127.

［9］徐冰华，杨孟兴.激光陀螺IMU的不水平指北标定方法［J］.压电与声光，2010（02）：226-232.

［10］吉训生，王寿荣.MEMS陀螺仪随机漂移误差研究［J］.宇航学报，2006，27（4）：640-642.

［11］刘百奇，房建成.光纤陀螺IMU的六位置旋转现场标定新方法［J］.光电工程，2008（01）：61-65.

［12］刘海涛.MEMS陀螺仪随机误差的Allan分析［J］.遥测遥控，2007，11（28）：158-162.

［13］张红良.陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统误差参数估计方法研究［D］.长沙：国防科技大学.2010.

［14］张金亮，秦永元，梅春波.基于MEMS惯性技术的鞋式个人导航系统［J］.中国惯性技术学报，2011，（03）：253-256.

［15］孙作雷，茅旭初，田蔚风，等.基于动作识别和步幅估计的步行者航位推算［J］.上海交通大学学报，2008，（12）：2002-2005+2009.

［16］张卫东.激光陀螺捷联惯导系统自动标定技术研究［D］.长沙：国防科技大学.2000.

［17］代刚.MEMS_IMU误差分析补偿与实验研究［D］.北京：清华大学，2011.

［18］K I Lee，H Takao，K Sawada，et al.Analysis and experi⁃mental verification of thermal drift in a constant tempera⁃ture control type three-axis accelerometer for high tem⁃peratures with a novel composition of Wheatstone bridge［C］//Micro Electro Mechanical Systems：MEMS，2004：241-244.

［19］Z F Syed，P Aggarwal，C Goodall，et al.A new multi-position calibration method for MEMS inertial nav⁃ igation systems［J］.Meas.Sci.Technol.18（2007）：1897-1907.

［20］Z F Syed，P Aggarwal，C Goodall，et al.A new multi-position calibration method for MEMS inertial nav⁃igation systems［J］.Meas.Sci.Technol.18（2007）：1897-1907.

Calibration Method of Low-precision MEMS in Personal Navigation System

LIANG PeileiXU JiangningCHENG Zhang（Department of Navigation，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

On account of the problem that the error of personal shoes navigation using MEMS devices is biggish and directly af⁃fects the accuracy of personal navigation，this paper uses a twelve position calibration method.First the input and output error model of gyroscopes and accelerometers is established.Then the paper gives twelve positions calibration location layout.At last，through the experiment of the three-axis turntable the calibration results are obtained.The results show that the error of MEMS devices is re⁃duced after compensation and it could improve the accuracy of personal shoes navigation system.

personal navigation，micro inertial devices，calibration method

TN96

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.011

2017年2月11日，

2017年3月23日

国家自然科学基金（编号：41574069；41404002）；国家重大科学仪器开发专项（编号：2011yq12004502）资助。

梁佩雷，男，研究方向：惯性技术及应用。许江宁，男，博士生导师，研究方向：惯性技术及应用。程章，男，硕士研究生，研究方向：惯性技术及应用。