一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法技术

本发明专利技术公开了一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法，用于提高MPU9250姿态传感器获取姿态时的精度，提高其可靠性。该方法借助一种多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台对数据进行测量，通过分析各传感器特性分别建立误差模型，采用解析法、卡尔曼滤波、椭球拟合分别对各传感器的误差参数进行辨识并校准。本发明专利技术开发了一种低成本、具有一定精度的误差标定方法，对于低消费市场中姿态传感器误差标定方面具有一定的意义。面具有一定的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法


[0001]本专利技术涉及姿态传感器误差标定领域，具体为一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法。

技术介绍

[0002]MPU9250姿态传感器作为一种低成本、高精度的国产九轴运动传感器被广泛应用于手机、无人机等需要获取姿态信息的场合。
[0003]MPU9250姿态传感器内部集成有陀螺仪、加速度计和磁力计三个模块。各模块在采集和处理数据时受到生产过程及其他因素的影响会出现一定的误差。标定和校准各模块误差，提高系统精度是一个很重要的环节。目前常见的标定方法是静止求均值法、六面校准法和最小二乘法等。
[0004]然而，这些标定方法都存在一定的缺点。比如静止求均值法，耗时费力且精度不高；六面校准法，需要昂贵的高精度转台辅助校准；最小二乘法，测试设备的误差会对加速度计的结果有一定的影响等。因此在保证一定精度的前提下，开发一种低成本的误差标定方法具有重要意义。

技术实现思路
：
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法，其目的是标定姿态传感器各模块误差参数，并对误差进行校准，以此提高传感器获取姿态信息的精确性。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]为了实施此标定方法，转台部分采用公开号为CN216558983U的专利技术专利实现对传感器多自由度角度测量，如图1所示。此转台可以比较精确的获取待测物体的姿态角。一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法,包括具体步骤如下：
[0008]步骤1、对陀螺仪建立误差模型：
[0009][0010]步骤2、利用转台对陀螺仪的数据进行采集并计算陀螺仪零偏：
[0011][0012]步骤3、将陀螺仪固定于转台上，分别绕各坐标轴做旋转运动，欧拉角增量为Φ，Φ∈R，则：
[0013][0014]步骤4、将陀螺仪采集到的数据代入上式，利用解析法求解标定因子的参数并对误差进行校准；
[0015]步骤5、对加速度计建立误差模型：
[0016][0017]步骤6、根据卡尔曼滤波参数辨识原理将误差模型改写为：
[0018][a
cx a
cy a
cz
]T
＝[A
m I3][K
aT S
aT ε
a
]T
[0019]步骤7、卡尔曼滤波系统的状态方程的离散化形式可表示为：
[0020][0021]步骤8、将零偏、标定因子与非正交误差作为状态变量与转台测得的加速度计原始值和校准值代入上式中循环迭代辨识，解算出加速度计的确定性误差并校准；
[0022]步骤9、对磁力计建立误差模型：
[0023][0024]步骤10、设磁力计全方位测量的数据点形成的椭球中心坐标为(ε
mx
，ε
my
，ε
mz
)，三个半轴长分别为R
x
，R
y
，R
z
。根据标准椭球方程，分析磁力计数据输出特点得：
[0025][0026]步骤11、展开多项式在等式两边同乘并整理：
[0027][0028]步骤12、将步骤11中的公式改写为K
m
M
m
＝Y
m
，根据超定方程组的最小二乘法求解原理，可得：
[0029][0030]步骤13、将步骤11与步骤12中方程联立得各元素表达式：
[0031][0032]步骤14、根据各半轴长计算标度因子：
[0033][0034]步骤15、将转台测得的磁力计原始值代入上述公式中，获取零偏与标度因子的参数，标定磁力计确定性误差并校准；
[0035]上述式中，[ω
cx ω
cy ω
cz
]T
为陀螺仪校准值，K为标定因子，S为轴间非正交误差，
[ω
ox ω
oy ω
oz
]T
为角速度原始值，ε为零偏，[a
cx a
cy a
cz
]T
为加速度计校准值，[a
ox a
oy a
oz
]T
为磁力计原始值，[m
cx m
cy m
cz
]T
为磁力计校准值，[m
ox m
oy m
oz
]T
为磁力计原始值，Pnoise为系统过程噪声，对应的协方差矩阵为Q
p
；A
m
与单位矩阵组成观测转移矩阵，同时也是系统输入；Mnoise为系统观测噪声，对应的协方差矩阵为Mnoise为系统观测噪声，对应的协方差矩阵为S
aT
＝[S
axy S
axz S
ayx S
ayz S
azx S
azy
]T
，I3为3阶单位矩阵，K
at
＝[K
ax K
ay K
az
]T
，
[0036]上述方案步骤1中，陀螺仪非正交误差影响较小，因此可认为：
[0037]S
gxy
＝S
gxz
＝S
gyz
＝S
gyz
＝S
gxx
＝S
gzy
＝0
[0038]上述方案步骤9中，磁力计受到周围磁性物体的干扰以及制造工艺的影响，测量数据点集合往往形成了椭球面，且球心偏离原点，所以，在误差标定中主要关注磁力计标度因子和零偏，即：
[0039]S
mxy
＝S
mxz
＝S
myz
＝S
myz
＝S
mzx
＝S
mzy
＝0
[0040]本专利技术的有益效果：
[0041](1)本专利技术实现对陀螺仪、磁力计、加速度计分别利用解析法、卡尔曼滤波、椭球拟合进行误差参数辨识并校准，其理论方法简单，实用性强，具有一定的可靠性。
[0042](2)本专利技术与多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台相结合，推出一种低成本误差标定方法，对于低消费市场中姿态传感器误差标定方面具有一定的意义。
附图说明
[0043]图1为多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台。
[0044]图2为陀螺仪零偏标定前后数据对比图。
[0045]图3为标定前后陀螺仪解算姿态对比。
[0046]图4为标定前后静止条件下的合加速度。
[0047]图5为标定前后MPU9250磁力计数据椭球拟合效果图。
[0048]图6为标定后指向北极时的ψ。
具体实施方式：
[0049]本专利技术转台部分采用公开号为CN216558983U的专利技术专利实现对传感器多自由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MPU9250姿态传感器误差的标定方法，包括具体步骤如下：步骤1、对陀螺仪建立误差模型：步骤2、利用转台对陀螺仪的数据进行采集并计算陀螺仪零偏：步骤3、将陀螺仪固定于转台上，分别绕各坐标轴做旋转运动，欧拉角增量为Φ，Φ∈R，则：步骤4、将陀螺仪采集到的数据代入上式，利用解析法求解标定因子的参数并对误差进行校准；步骤5、对加速度计建立误差模型：步骤6、根据卡尔曼滤波参数辨识原理将误差模型改写为：[a
cx a
cy a
cz
]
Τ
＝[A
m I3][K
aT S
aT ε
a
]
T
步骤7、卡尔曼滤波系统的状态方程的离散化形式可表示为：步骤8、将零偏、标定因子与非正交误差作为状态变量与转台测得的加速度计原始值和校准值代入上式中循环迭代辨识，解算出加速度计的确定性误差并校准；步骤9、对磁力计建立误差模型：步骤10、设磁力计全方位测量的数据点形成的椭球中心坐标为(ε
mx
，ε
my
，ε
mz
)，三个半轴长分别为R
x
，R
y
，R
z
。根据标准椭球方程，分析磁力计数据输出特点得：步骤11、展开多项式在等式两边同乘并整理：步骤12、将步骤11中的公式改写为K
m
M
m
＝Y
m
，根据超定方程组的最小二乘法求解原理，可得：
步骤13、将步骤11与步骤12中方程联立得各元素表达式：步骤14、根据各半轴长计算标度因子：步骤15、将转台测得的磁力计原始值代入上述公式中，获取零偏与标度因子的参数，标定磁力计确定性误差并校准。上述式中，[ω
cx ω
cy ω
cz
]
T
为陀螺仪校准值，K为标定因子，S为轴间非正交误差，[ω
ox ω
oy ω
oz
]
T
为角速度原始值，ε为零偏，[a
cx a
cy a
cz...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄用华，宋佳宇，银桥，庄未，梁子彦，骆泽众，萧洪亮，吕武，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：