阅读说明：本技术 一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法 (Gravity field-based accelerometer scale factor nonlinearity testing method ) 是由 芶志平 王文 罗华 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及属于惯性传感技术领域,涉及一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法；所述方法包括安装好加速度计后,旋转分度头或者多轴转台,将敏感轴分别以不同角度向左和向右倾斜,采集不同角度下加速度计的输出值；求平均值从而计算出在不同角度下加速度计的输出值；建立加速度计输入值与输出值关系的线性模型,将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线,采用最小二乘法求出加速度计的标度因数；计算出每个输入加速度的非线性度,选择最大的非线性度作为加速度计标度因数的非线性度。本发明将重力加速度作为加速度计的输入值,能够使得输入的加速度精度高,并消除了加速度计的安装误差。(The invention relates to the technical field of inertial sensing, and relates to an accelerometer scale factor nonlinearity testing method based on a gravity field; after the accelerometer is installed, rotating a dividing head or a multi-axis turntable, respectively inclining a sensitive axis to the left and the right at different angles, and collecting output values of the accelerometer at different angles; averaging to calculate output values of the accelerometer under different angles; establishing a linear model of the relation between the input value and the output value of the accelerometer, and carrying out data processing on each input acceleration value and the corresponding output acceleration value through a linear regression method; finding out the optimal straight line, and solving the scale factor of the accelerometer by adopting a least square method; calculating the nonlinearity of each input acceleration, and selecting the maximum nonlinearity as the nonlinearity of the accelerometer scale factor. The invention takes the gravity acceleration as the input value of the accelerometer, can ensure high precision of the input acceleration and eliminates the installation error of the accelerometer.)

一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法

技术领域

本发明涉及属于惯性传感技术领域，特别涉及一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法。

背景技术

加速度计是测量线加速度的传感器，对于加速度计来说，一般都是灵敏度越高越好的，因为越灵敏，对周围环境发生的加速度的变化就越容易感受到，加速度变化大，很自然地，输出的电压的变化相应地也变大，这样测量就比较容易方便，而测量出来的数据也会比较精确的。而标度因数非线性度是加速度计测量精度的重要指标，标度因数通常用某一特定直线的斜率表示，该直线可以根据在整个输入范围内周期地改变输入量所得到的输入/输出数据，一般采用最小二乘法拟合求得。惯性导航系统中，有关标度因数包括陀螺仪标度因数、加速度计标度因数、力矩器标度因数、传感器标度因数、指令速率标度因数以及温度标度因数等。

通常采用离心机试验的方法来测试加速计标度因数非线性度。但是受离心机精度限制，对于1g(一个重力加速度)内的标度因数非线性度测试精度较低。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明采用重力加速度作为加速度计输入，在1g范围内，可以精确计算出加速度计的输入。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括：

一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法，所述方法包括：

将待测的加速度计固定安装在分度头或者多轴转台上，并使分度头或者多轴转台保持零输入状态，调整加速度计的X轴即敏感轴，使得敏感轴正向与重力方向相反；

旋转分度头或者多轴转台，使加速度计的敏感轴与其初始位置的夹角依次为不同角度；将敏感轴分别向左和向右倾斜，采集不同角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值；对某一角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值求平均值，从而计算出在不同角度下加速度计的输出值；

基于所计算出的不同角度下加速度计的输出值，建立出加速度计输入值与输出值关系的线性模型，将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线，采用最小二乘法求出加速度计的标度因数；

分别计算出加速度计的每个输出值与最佳直线的偏差值，以及加速度计最大输出值，从而计算出每个输入加速度的非线性度，并选择最大的非线性度作为加速度计标度因数的非线性度。

本发明的有益效果：

1、本发明将重力加速度作为加速度计的输入值，输入的加速度精度高于离心机输入加速度，可提高加速度计测试精度；

2、本发明采用左右偏转相同角度，采用均值求解的方式，消除了加速度计的安装误差对测试精度的影响。

附图说明

图1为本发明采用的一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法流程图；

图2为本发明中加速度计的初始位置状态图；

图3为本发明中加速度计向左倾斜的位置状态图；

图4为本发明中加速度计向右倾斜的位置状态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明中一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法，所述方法包括：

将待测的加速度计固定安装在分度头或者多轴转台上，并使分度头或者多轴转台保持零输入状态，调整加速度计的X轴即敏感轴，使得敏感轴正向与重力方向相反；

旋转分度头或者多轴转台，使加速度计的敏感轴与其初始位置的夹角依次为不同角度；将敏感轴分别向左和向右倾斜，采集不同角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值；对某一角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值求平均值，从而计算出在不同角度下加速度计的输出值；

基于所计算出的不同角度下加速度计的输出值，建立出加速度计输入值与输出值关系的线性模型，将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线，采用最小二乘法求出加速度计的标度因数；

分别计算出加速度计的每个输出值与最佳直线的偏差值，以及加速度计最大输出值，从而计算出每个输入加速度的非线性度，并选择最大的非线性度作为加速度计标度因数的非线性度。

在一个实施例中，本实施例优先将待测的加速度计固定安装旋转载体中，再将旋转载体安装在分度头或者多轴转台上，并使得加速度计的敏感轴与分度头或者多轴转台台面垂直。

使分度头或者多轴转台保持零输入状态，调整加速度计的X轴即敏感轴，使得敏感轴正向与重力方向相反；如图2所示，图中X、Y、Z三轴两两相互正交，X轴为加速度计敏感轴；本实施例中重力方向向下，那么敏感轴正方向则竖直向上，Y轴正方向为水平向右方向，Z轴正方向为垂直向内方向。

在一个实施例中，通过旋转分度头或者多轴转台，使加速度计的敏感轴与其初始位置的夹角依次呈现为不同角度；其中，该初始位置即为图2中X轴正方向。

具体的，将敏感轴分别向左和向右按上述夹角进行倾斜，如图3和图4所示，分别采集向左倾斜一定角度θ和向右倾斜一定角度θ时的加速度计值；

向左倾斜时：

V_θ1＝K₁·g·cosθ+K₀+G_y·k_yx·G_z·k_zx；

G_y＝g·sinθ；

G_z＝0；

向右倾斜时：

V_θ2＝K₁·g·cosθ+K₀+G_y·k_yx·G_z·k_zx；

G_y＝g·sin(90+θ)＝-g·sin(θ)；

G_z＝0；

其中，V_θ1为加速度计向左倾斜θ的输出值，K₁为加速度计的标度因数；g表示重力加速度；θ表示加速度计向左以及向右倾斜的角度；K₀为加速度的零位；G_y表示加速度计Y轴向重力加速度分量；G_z表示Z轴向重力加速度分量；k_yx表示Y轴与X轴的加速度计交叉耦合系数；k_zx表示Z轴和X轴的加速度计交叉耦合系数；V_θ2为加速度计向右倾斜θ的输出值。

θ为可变值，可以依次为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°以及180°；本实施例设置的倾斜角度值为本发明的较优值，当然本发明可以不限于上述最优值，也可设为0°～180°之间的其他一组角度。

在这个过程中，对某一角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值求平均值，从而计算出在不同角度下加速度计的输出值；

V_i＝(V_θ1+V_θ2)/2

＝(K₁·g·cosθ+K₀+g·sinθ·k_yx+K₁·g·cosθ+K₀-g·sinθ·k_yx)/2

＝K₁·g·cosθ+K₀

通过采用上述方式，能够消除测试过程中加速度计安装所带来的测试误差。

基于所计算出的不同角度下加速度计的输出值，建立出加速度计输入值与输出值关系的线性模型，该线性模型表示为：

V_i＝K₁G_i+K₀+σ

其中，V_i表示加速度计的第i个输出值；K₁为加速度计的标度因数；G_i为加速度计的第i个输入加速度；K₀为加速度计的零位；σ为拟合误差。

将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线，采用最小二乘法求出加速度计的标度因数K₁：

其中，n表示输入加速度个数；G_i为加速度计的第i个输入加速度；V_i为第i个加速度计输出值。

按照下式计算出每个输出值和最佳曲线的偏差，以及加速度计最大输出值：

ΔV_i＝V_i-K₁G_i；

V_max＝K₁G_max；

其中，ΔV_i为每个输出值和最佳曲线的偏差；G_i为加速度计的第i个输入加速度；G_max为加速度计的最大输入加速度，本发明中G_max＝g。

基于上式，计算出加速度计每个输入加速度的非线性度，表示为：

本发明将最大的非线性度作为该加速度计标度因数的非线性度，表示为ρ＝max(ρ_i)。

下面给出本发明的测试过程，包括：

将待测的加速度计安装在旋转载体中，然后将旋转载体安装在分度头或者多轴转台上，使陀螺仪滚动轴垂直于转台台面；调整加速度计的X轴即敏感轴，使得敏感轴正向与重力方向相反；

旋转分度头或者多轴转台，使加速度计的敏感轴与其初始位置的夹角依次为不同角度；将敏感轴分别向左和向右倾斜，采集不同角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值；对某一角度下向左和向右倾斜时加速度计的输出值求平均值，从而计算出在不同角度下加速度计的输出值；

基于所计算出的不同角度下加速度计的输出值，建立出加速度计输入值与输出值关系的线性模型，将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线，采用最小二乘法求出加速度计的标度因数；

分别计算出加速度计的每个输出值与最佳直线的偏差值，以及加速度计最大输出值，从而计算出每个输入加速度的非线性度，并选择最大的非线性度作为加速度计标度因数的非线性度。

对于计算出的不同角度下加速度计的输出值，本申请通过一种设备用于求取出最终的加速度计标度因数的非线性度。

具体的，本申请提供一种基于重力场的加速度计标度因数非线性度测试方法中的全部或部分内容的设备的实施例，所述设备具体包含有如下内容：处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述通信接口用于实现相关设备之间的信息传输；该电子设备可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该电子设备可以参照实施例用于实现本发明测试方法的实施例，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。

所述处理器用于计算基于所计算出的不同角度下加速度计的输出值，建立出加速度计输入值与输出值关系的线性模型，将每个输入的加速度值和对应输出的加速度值通过线性回归法进行数据处理；找出最佳直线，采用最小二乘法求出加速度计的标度因数；分别计算出加速度计的每个输出值与最佳直线的偏差值，以及加速度计最大输出值，从而计算出每个输入加速度的非线性度，并选择最大的非线性度作为加速度计标度因数的非线性度。

所述存储器用于存储每个输入的加速度值和对应输出的加速度值以及最终的加速度计标度因数的非线性度。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。