多传感器融合定位中最重要的传感器是IMU,试验平台上搭载了轮趣的N100、北云科技的A1和华测组合导航接收机CGI 610。各产品的IMU精度不同,那么各产品的精度是否存在虚标或者因为产品个体差异存在的偏差呢?精度差异的体现又是什么呢?那就自己来进行学习和对比分析!

一、惯性技术发展历史

1687年,伟大的英国科学家牛顿提出力学三大定律,为惯性导航技术奠定了理论基础。
惯性导航技术应该是各导航技术中的老大哥了吧。

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 但是,惯性技术在近五十年才得到快速发展,惯性器件的价格也越来越低。

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 二、误差组成

1. 量化噪声:一切量化操作所固有的噪声,是数字传感器必然出现的噪声。

2. 角度随机游走:陀螺输出角速率包含噪声中的白噪声成分。

3. 零偏:bias,一般不是一个固定参数,而是在一定范围内缓慢随机飘移。

更具体的,零偏包括以下几种,最关键的是零偏稳定性:

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(1)常值零偏:对于传统的高性能惯性器件来说,该误差在出厂标定时往往就被补偿干净了,因此不会标注这个指标;但对于低端MEMS IMU芯片来说,则不可能做逐个的标定和补偿,因此常会存在deg/s(也就是几千deg/h)量级的常值零偏。这看上去巨大无比,但我们在实际使用中很容易对付,例如在初始启动过程中利用几秒钟的静态数据求平均即可扣掉大部分。

(2)全温零偏误差:bias error over temperature,或是零偏的温度敏感系数(或称温漂系数),反映器件参数的温度敏感性。就是指陀螺零偏在其额定工作温度范围内相对于室温零偏值的变化量。对于传统惯性器件,一般是逐个做了温漂补偿的,因此这个全温零偏误差就是温补后的残差;而对于低端MEMS芯片,不可能逐个做温漂标定和补偿,而且仅测量个别位置的温度进行标定也不会完全准。因此厂家往往给个零偏的温度敏感系数(例如0.01 deg/s/℃)。

(3)零偏重复性:run-to-run repeatability,全称是零偏逐次上电重复性,这是传统惯性器件的经典指标,是指惯性器件不同次上电运行时的零偏的不重复程度。具体测量方法是在常温下将器件多次上电,测量和记录每次上电的零偏数值,然后统计其差异。传统惯性器件在出厂环节就把常值误差和温漂误差等主要误差都已仔细补偿掉了,因此逐次上电重复性这个次要误差才成为了一个不可忽视的主要误差。

(4)零偏的加速度敏感性:g-sensitivity或linear acceleration effect。陀螺的输出本来应该对加速度完全不敏感,但由于其敏感结构的加工误差等因素,多少还是会受到线加速度影响的,我们就用零偏的加速度敏感性来描述。显然,这种零偏误差只有在强动态载体上才会造成显著影响,而对于常见车载、船载低动态载体往往可以忽略。需要注意的是,越是高灵敏度的MEMS陀螺,其微机械结构的敏感质量越大,因此其加速度敏感性往往会比较大。

(5)零偏稳定性:in-run instability,严格来说应该称为零偏不稳定性,反映器件上电稳定后其零偏随时间变化的情况。根据具体测算方法又分为两种:

  • a. 我国的国军标定义的零偏不稳定性:采集几个小时的静态数据,每10秒或100秒求平均(以便抑制器件白噪声的影响),然后统计这些平均值的标准差。
  • b. Allan方差给出的零偏不稳定性:采集足够长时间的静态数据(一般大于10小时,越高等级的器件所需时间越长),画Allan方差曲线,取其谷底值。

前者对惯导的实际表现有比较直接的影响,有现实指导意义;而后者则只是反映器件在极端理想条件下的性能极限,缺乏现实意义。从具体数值来看,前者也比后者大几倍甚至高一个量级。

如果只用一个指标来代表一款IMU的精度的话,那毫无疑问是陀螺零偏稳定性

MEMS惯导不会长时间单独工作,一般都是与GNSS构成组合导航系统,那么常值零偏和缓慢零偏变化(包括温漂)以及零偏重复性一般都能被组合导航算法(例如增广Kalman滤波)有效地进行在线估计和补偿,此时我们真正在乎和需要关心的是零偏不稳定性中的中短期变化成份(例如,10s~1000s时间尺度上的波动变化),而MEMS器件的这种中短期零偏不稳定性与传统惯性器件相比并不会差得太远。

三、明确ISA,IMU和INS

 

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四、常用坐标系

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